KR20160143521A - 마이크로파 플라즈마원 및 플라즈마 처리 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 표면파 모드를 단일 모드로 해서 안정된 마이크로파 처리를 행할 수 있고, 또한 둘레 방향으로 균일한 플라즈마를 형성할 수 있는 마이크로파 플라즈마원을 제공한다. 마이크로파 플라즈마원(2)은, 마이크로파 출력부(30)와, 마이크로파 전송부(40)와, 마이크로파 방사 부재(50)를 갖는다. 마이크로파 전송부(40)는, 마이크로파 방사 부재(50)의 주연부 위에 원주 방향을 따라 복수 설치된 마이크로파 도입 기구(43a)를 갖고, 마이크로파 방사 부재(50)는, 지파재(121)와, 전체가 원주 형상이 되도록 서로 분리해서 형성된 복수의 슬롯(123)과, 마이크로파 투과 부재(122)와, 복수의 슬롯(123)과 마이크로파 투과 부재(122)와의 사이에, 복수의 슬롯(123)에 대응해서 서로 분리해서 형성되고, 슬롯(123)으로부터의 마이크로파 전계에 의해 단일한 자장 루프가 형성되도록 형성된 복수의 유전체층(124)을 갖는다.

Description

마이크로파 플라즈마원 및 플라즈마 처리 장치{MICROWAVE PLASMA SOURCE AND PLASMA PROCESSING APPARATUS}
본 발명은 마이크로파 플라즈마원 및 그것을 사용한 플라즈마 처리 장치에 관한 것이다.
플라즈마 처리는, 반도체 디바이스의 제조에 불가결한 기술로서, 최근 들어, LSI의 고집적화, 고속화의 요청으로 LSI를 구성하는 반도체 소자의 디자인 룰이 점점 미세화되고, 또한 반도체 웨이퍼가 대형화되고 있으며, 그에 수반하여, 플라즈마 처리 장치에서도 이러한 미세화 및 대형화에 대응하는 것이 요구되고 있다.
그런데, 종래부터 다용되어 온 평행 평판형이나 유도 결합형의 플라즈마 처리 장치에서는, 대형의 반도체 웨이퍼를 균일하면서도 또한 고속으로 플라즈마 처리하는 것은 곤란하다.
따라서, 고밀도이고 저전자 온도의 표면파 플라즈마를 균일하게 형성할 수 있는 마이크로파 플라즈마 처리 장치가 주목받고 있다.
마이크로파 플라즈마 처리 장치로서, 특허문헌 1의 단락 0002 내지 0008에는, 마이크로파 발진기로부터 도파관을 거쳐서 유전체 선로에 마이크로파를 도입하고, 그에 의해 유전체 선로의 하방에 형성된 전계를 에어 갭 및 마이크로파 도입창을 통해서 처리실에 공급하여 플라즈마를 생성하는 것이 기재되어 있다.
그러나, 이 장치에서는, 대형 기판의 처리는 가능하지만, 큰 스페이스가 필요하다는 과제가 있고, 그 과제를 해결하는 기술로서, 특허문헌 1의 단락 0020 내지 0061에는, 환상 도파관 안테나의 둘레 방향을 따라 슬롯을 형성하고, 슬롯 및 그 아래의 마이크로파 도입창을 통해서 처리실 내에 마이크로파 전계를 도입하여, 플라즈마를 생성하는 플라즈마 처리 장치가 기재되어 있다.
한편, 특허문헌 2에는, 마이크로파를 복수로 분배하여, 상기와 같은 평면 안테나와 임피던스 정합을 행하는 튜너를 갖는 마이크로파 도입 기구를 복수 설치하고, 그들로부터 방사된 마이크로파를 챔버 내에 유도해서 챔버 내에서 마이크로파를 공간 합성하는 플라즈마원이 개시되어 있다.
이렇게 복수의 마이크로파 도입 기구를 사용해서 마이크로파를 공간 합성함으로써, 각 마이크로파 도입 기구로부터 도입되는 마이크로파의 위상이나 강도를 개별로 조정할 수 있어, 플라즈마 분포의 조정을 비교적 용이하게 행할 수 있다.
또한, 특허문헌 3에는, 복수의 마이크로파 도입 기구의 배치를 궁리함으로써, 플라즈마의 분포의 균일화를 도모하는 것이 개시되어 있다.
일본 특허 공개 제2000-277296호 공보 국제 공개 제2008/013112호 팸플릿 일본 특허 공개 제2012-216745호 공보
그러나, 특허문헌 1에 기재된, 원주 방향으로 배치된 슬롯을 통해서 처리실 내에 마이크로파 전계를 도입하는 기술에서는, 복수의 표면파 모드가 출현할 가능성이 있고, 모드 점프가 발생해서 불안정한 플라즈마 처리가 되어버린다.
특허문헌 2, 3에서는, 챔버의 천장벽에 마이크로파 도입 기구마다 유전체로 이루어지는 마이크로파 투과창(마이크로파 투과 부재)을 설치하고, 이 마이크로파 투과창을 통해서 챔버 내에 마이크로파를 방사하고 있지만, 이와 같은 구성의 경우, 둘레 방향으로 플라즈마가 충분히 퍼지지 않아, 균일한 플라즈마를 얻는 것이 곤란하다. 또한, 표면파 모드를 단일하게 하는 것도 곤란하다.
본 발명은 표면파 모드를 단일 모드로 해서 안정된 마이크로파 처리를 행할 수 있고, 또한 둘레 방향으로 균일한 플라즈마를 형성할 수 있는 마이크로파 플라즈마원 및 그것을 사용한 플라즈마 처리 장치를 제공한다.
본 발명의 제1 관점은, 플라즈마 처리 장치의 챔버 내에 마이크로파를 방사해서 표면파 플라즈마를 형성하는 마이크로파 플라즈마원으로서, 마이크로파를 생성해서 출력하는 마이크로파 출력부와, 상기 마이크로파 출력부로부터 출력된 마이크로파를 전송하기 위한 마이크로파 전송부와, 상기 챔버의 천장벽을 구성하고, 상기 마이크로파 전송부로부터 공급된 마이크로파를 상기 챔버 내에 방사하기 위한 마이크로파 방사 부재를 포함하고, 상기 마이크로파 전송부는, 상기 마이크로파 방사 부재에 마이크로파를 도입하는 마이크로파 도입 기구를 포함하고, 상기 마이크로파 방사 부재는, 금속제의 본체부와, 상기 본체부의 마이크로파가 도입되는 부분에 설치된 유전체로 이루어지는 지파재와, 상기 지파재에 의해 덮이고 전체가 원주 형상이 되도록 서로 분리해서 형성되고, 상기 지파재를 통해서 도입된 마이크로파를 방사하는 복수의 슬롯과, 상기 본체부의 상기 챔버측 부분에 설치되고, 상기 슬롯의 배치 영역을 덮도록 설치되고, 상기 챔버측 부분에 표면파가 형성되는 유전체로 이루어지는 마이크로파 투과 부재와, 상기 복수의 슬롯과 상기 마이크로파 투과 부재와의 사이에, 상기 복수의 슬롯에 대응해서 서로 분리해서 형성되고, 상기 슬롯으로부터의 마이크로파 전계에 의해 단일한 자장 루프가 형성되도록 형성된 복수의 유전체층을 포함하는 마이크로파 플라즈마원을 제공한다.
본 발명의 제2 관점은, 피처리 기판을 수용하는 챔버와, 상기 챔버 내에 가스를 공급하는 가스 공급 기구와, 상기 챔버 내에 마이크로파를 방사해서 표면파 플라즈마를 형성하는 마이크로파 플라즈마원을 포함하고, 상기 표면파 플라즈마에 의해 피처리 기판에 플라즈마 처리를 실시하는 플라즈마 처리 장치로서, 상기 마이크로파 플라즈마원은, 마이크로파를 생성해서 출력하는 마이크로파 출력부와, 상기 마이크로파 출력부로부터 출력된 마이크로파를 전송하기 위한 마이크로파 전송부와, 상기 챔버의 천장벽을 구성하고, 상기 마이크로파 전송부로부터 공급된 마이크로파를 상기 챔버 내에 방사하기 위한 마이크로파 방사 부재를 포함하고, 상기 마이크로파 전송부는, 상기 마이크로파 방사 부재에 마이크로파를 도입하는 마이크로파 도입 기구를 포함, 상기 마이크로파 방사 부재는, 금속제의 본체부와, 상기 본체부의 마이크로파가 도입되는 부분에 설치된 유전체로 이루어지는 지파재와, 상기 지파재에 의해 덮이고 전체가 원주 형상이 되도록 서로 분리해서 형성되고, 상기 지파재를 통해서 도입된 마이크로파를 방사하는 복수의 슬롯과, 상기 본체부의 상기 챔버측 부분에 설치되고, 상기 슬롯의 배치 영역을 덮도록 설치되고, 상기 챔버측 부분에 표면파가 형성되는 유전체로 이루어지는 마이크로파 투과 부재와, 상기 복수의 슬롯과 상기 마이크로파 투과 부재와의 사이에, 상기 복수의 슬롯에 대응해서 서로 분리해서 형성되고, 상기 슬롯으로부터의 마이크로파 전계에 의해 단일한 자장 루프가 형성되도록 형성된 복수의 유전체층을 포함하는 플라즈마 처리 장치를 제공한다.
상기 복수의 유전체층의 각각의 둘레 방향의 길이는, 상기 복수의 유전체층의 각각의 내의 마이크로파의 실효 파장을 λg로 했을 때, λg/2 이하인 것이 바람직하다. 상기 복수의 유전체층은, 공기층 또는 유전체 재료층으로 구성할 수 있다.
상기 복수의 슬롯은, 진공 또는 유전체 재료로 이루어지고, 원호 형상으로 형성되며, 원주 방향을 따라 일렬로 배치되어 있는 구성으로 할 수 있다. 상기 복수의 슬롯의 각각의 둘레 방향의 길이는, 상기 복수의 슬롯의 각각의 내의 마이크로파의 실효 파장을 λg로 하고, 미세 조정 성분을 δ(0을 포함함)로 했을 때, (λg/2)-δ인 것이 바람직하다.
상기 마이크로파 도입 기구는, 상기 마이크로파 방사 부재의 위의 상기 챔버 내의 주연 부분에 대응하는 주연부에, 원주 방향을 따라 복수 설치되어 있는 구성으로 할 수 있다.
이 경우에, 상기 지파재는, 상기 복수의 마이크로파 도입 기구의 배치 부분을 포함하는 원환 형상을 이루는 마이크로파 도입 기구 배치 영역을 따라 전체 형상이 원환 형상으로 되도록 복수 설치되고, 상기 복수의 지파재는, 인접하는 것이 금속 부재에 의해 분리된 상태로 배치되고, 상기 마이크로파 도입 기구의 수의 2배의 매수이며, 상기 각 마이크로파 도입 기구에 대응하는 위치로부터, 양측으로 연장되도록 배치되어 있는 구성으로 해도 된다.
상기 마이크로파 방사 부재는 원판 형상을 이루고, 그 위의 상기 챔버 내의 중앙 부분에 대응하는 중앙부에 배치된 다른 마이크로파 도입 기구를 더 포함하고, 상기 마이크로파 방사 부재의 중앙으로부터 상기 챔버 내의 중앙부에도 표면파 플라즈마가 생성되도록 구성해도 된다.
상기 제1 관점에 있어서, 상기 마이크로파 방사 부재는, 상기 챔버 내에 플라즈마 처리에 사용하는 가스를 도입하는 가스 도입부를 더 포함하는 구성으로 할 수 있다.
상기 제2 관점에 있어서, 상기 가스 공급 기구는, 상기 마이크로파 방사 부재에 더 설치되며, 제1 가스를 도입하는 제1 가스 도입부를 포함하는 구성으로 할 수 있다. 이 경우에, 상기 챔버 내에 피처리 기판을 적재하는 적재대가 설치되고, 상기 가스 공급 기구는, 상기 마이크로파 방사 부재와 상기 적재대와의 사이에 플라즈마 처리에 사용하는 제2 가스를 도입하는 제2 가스 도입부를 갖는 구성으로 할 수 있다.
또한, 상기 제2 관점에 있어서, 상기 마이크로파 방사 부재는, 상기 챔버 내의 주연부에 대응하는 환상을 이루고, 상기 플라즈마 처리 장치는, 피처리 기판을 적재하는 적재대와, 상기 마이크로파 방사 부재의 내측 부분에 설치되고, 상기 챔버 내에 플라즈마 처리에 사용하는 가스를 샤워 형상으로 도입하는 샤워 헤드와, 상기 샤워 헤드와 상기 적재대와의 사이에 고주파 전계를 형성하는 고주파 전계 형성 기구를 더 포함하고, 상기 고주파 전계 형성 기구에 의해, 상기 챔버 내에 용량 결합 플라즈마가 형성되는 구성으로 할 수 있다.
본 발명에 따르면, 마이크로파 방사 부재를, 전체가 원주 형상이 되도록 서로 분리해서 형성되고, 지파재를 통해서 도입된 마이크로파를 방사하는 복수의 슬롯과, 유전체로 이루어지는 마이크로파 투과 부재와의 사이에, 복수의 슬롯에 대응해서 서로 분리해서 형성되고, 슬롯으로부터의 마이크로파 전계에 의해 단일한 자장 루프가 형성되도록 형성된 복수의 유전체층을 갖도록 구성하였다. 이 때문에, 유전체층 내의 단일한 자장 루프에 의해, 마이크로파 투과 부재 내에 유전체층의 자장 루프에 대응하는 자장 루프가 형성되어, 마이크로파 투과 부재 내에 자장 커플링이 발생하는 것을 방지할 수 있다. 이 때문에, 마이크로파 투과 부재(122) 내에서 자장 루프가 발생하거나 발생하지 않거나 함으로 인한 복수의 표면파 모드가 출현하는 것을 방지할 수 있어, 모드 점프가 발생하지 않는 안정된 플라즈마 처리를 실현할 수 있다. 또한, 복수의 슬롯이 원주 형상으로 형성되어 있으므로, 둘레 방향으로 균일한 플라즈마를 형성할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시 형태에 따른 플라즈마 처리 장치의 개략 구성을 도시하는 단면도이다.
도 2는 도 1의 플라즈마 처리 장치에 사용되는 마이크로파 플라즈마원의 구성을 도시하는 블록도이다.
도 3은 본 발명의 제1 실시 형태에 따른 플라즈마 처리 장치의 마이크로파 플라즈마원에 있어서의 마이크로파 방사 부재를 도시하는 단면도이다.
도 4는 도 3의 마이크로파 방사 부재의 주연부에 있어서의 슬롯 및 유전체층인 공기층의 배치를 도시하는 평면도이다.
도 5는 도 3의 마이크로파 방사 부재의 주연부에 있어서의 슬롯 및 유전체층인 공기층의 배치를 나타내는 둘레 방향의 단면도이다.
도 6은 중심 마이크로파 도입 기구에 대응하는 슬롯의 형상 예를 도시하는 모식도이다.
도 7은 주연 마이크로파 도입 기구를 도시하는 단면도이다.
도 8은 주연 마이크로파 도입 기구의 급전 기구를 도시하는 도 7의 AA'선에 따른 횡단면도이다.
도 9는 주연 마이크로파 도입 기구에 있어서의 슬래그와 미끄럼 부재를 도시하는 도 7의 BB'선에 따른 횡단면도이다.
도 10은 원주 형상으로 배치된 복수의 슬롯의 바로 아래에 마이크로파 투과 부재를 배치한 경우와, 복수의 슬롯과 마이크로파 투과 부재와의 사이에 슬롯에 대응하도록 형성된 유전체층을 배치한 경우에 있어서의 자장의 상태를 도시하는 모식도이다.
도 11은 본 발명의 제2 실시 형태에 관한 플라즈마 처리 장치에 사용되는 마이크로파 플라즈마원에 있어서의 마이크로파 도입 기구의 배치를 모식적으로 도시하는 평면도이다.
도 12는 본 발명의 제2 실시 형태에서의 마이크로파 방사 부재를 도시하는 단면도이다.
도 13은 본 발명의 제2 실시 형태에서의 마이크로파 방사 부재의 주연부에 설치된 지파재의 배치를 도시하는 평면도이다.
도 14는 본 발명의 제2 실시 형태에서의 마이크로파 방사 부재의 주연부에 설치된 지파재에 의한 마이크로파 전력의 분배 모습을 도시하는 모식도이다.
도 15는 본 발명의 제2 실시 형태에서의 마이크로파 방사 부재의 주연부의 슬롯 형상 및 배치를 도시하는 개략도이다.
도 16은 본 발명의 제2 실시 형태에 관한 플라즈마 처리 장치를 기본으로 하고, 슬롯 아래에 유전체층을 형성하지 않은 경우와 형성한 경우와, 마이크로파를 도입한 경우에 대해서, 압력에 상당하는 유전 손실(tanδ)과 플라즈마 밀도에 상당하는 유전율의 좌표에 있어서 이들을 변화시킨 경우의 표면파 모드를 도시하는 도면이다.
도 17은 본 발명의 다른 실시 형태에 따른 플라즈마 처리 장치의 개략 구성을 도시하는 단면도이다.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시 형태에 대해서 상세하게 설명한다.
<제1 실시 형태>
먼저, 제1 실시 형태에 대해서 설명한다.
(플라즈마 처리 장치의 구성)
도 1은, 본 발명의 제1 실시 형태에 따른 플라즈마 처리 장치의 개략 구성을 도시하는 단면도이며, 도 2는 도 1의 플라즈마 처리 장치에 사용되는 마이크로파 플라즈마원의 구성을 도시하는 블록도이다.
플라즈마 처리 장치(100)는, 마이크로파에 의해 표면파 플라즈마를 형성해서 웨이퍼에 대해 소정의 플라즈마 처리를 행하는 것이다. 플라즈마 처리로서는, 성막 처리 또는 에칭 처리가 예시된다.
플라즈마 처리 장치(100)는, 기밀하게 구성된 알루미늄 또는 스테인리스강 등의 금속 재료로 이루어지는 대략 원통 형상의 접지된 챔버(1)와, 챔버(1) 내에 마이크로파를 도입해서 표면파 플라즈마를 형성하기 위한 마이크로파 플라즈마원(2)을 갖고 있다. 챔버(1)의 상부에는 개구부(1a)가 형성되어 있고, 마이크로파 플라즈마원(2)은 이 개구부(1a)로부터 챔버(1)의 내부에 면하도록 설치되어 있다.
또한, 플라즈마 처리 장치(100)는, 마이크로프로세서를 구비한 전체 제어부(3)를 갖고 있다. 전체 제어부(3)는, 플라즈마 처리 장치(100)의 각 부를 제어하도록 되어 있다. 전체 제어부(3)는, 플라즈마 처리 장치(100)의 프로세스 시퀀스 및 제어 파라미터인 프로세스 레시피를 기억한 기억부나, 입력 수단 및 디스플레이 등을 구비하고 있고, 선택된 프로세스 레시피에 따라서 소정의 제어를 행하는 것이 가능하다.
챔버(1) 내에는 피처리체인 반도체 웨이퍼(W)(이하, 웨이퍼(W)라고 기술함)를 수평으로 지지하기 위한 서셉터(적재대)(11)가, 챔버(1)의 저부 중앙에 절연 부재(12a)를 개재해서 세워 설치된 통 형상의 지지 부재(12)에 의해 지지된 상태로 설치되어 있다. 서셉터(11) 및 지지 부재(12)를 구성하는 재료로서는, 표면을 알루마이트 처리(양극 산화 처리)한 알루미늄 등의 금속이나 내부에 고주파용의 전극을 가진 절연성 부재(세라믹스 등)가 예시된다.
또한, 도시는 하지 않았지만, 서셉터(11)에는, 웨이퍼(W)를 정전 흡착하기 위한 정전 척, 온도 제어 기구, 웨이퍼(W)의 이면에 열전달용의 가스를 공급하는 가스 유로, 및 웨이퍼(W)를 반송하기 위해서 승강하는 승강 핀 등이 설치되어 있다. 또한, 서셉터(11)에는, 정합기(13)를 통해서 고주파 바이어스 전원(14)이 전기적으로 접속되어 있다. 이 고주파 바이어스 전원(14)으로부터 서셉터(11)에 고주파 전력이 공급됨으로써, 웨이퍼(W)측에 플라즈마 중의 이온이 인입된다. 또한, 고주파 바이어스 전원(14)은 플라즈마 처리의 특성에 따라서는 설치하지 않아도 된다. 이 경우에는, 서셉터(11)로서 AlN과 같은 세라믹스 등으로 이루어지는 절연성 부재를 사용해도 전극은 불필요하다.
챔버(1)의 저부에는 배기관(15)이 접속되어 있고, 이 배기관(15)에는 진공 펌프를 포함하는 배기 장치(16)가 접속되어 있다. 그리고, 이 배기 장치(16)를 작동시킴으로써 챔버(1) 내가 배기되어, 챔버(1) 내를 소정의 진공도까지 고속으로 감압하는 것이 가능하게 되어 있다. 또한, 챔버(1)의 측벽에는, 웨이퍼(W)의 반출입을 행하기 위한 반입출구(17)와, 이 반입출구(17)를 개폐하는 게이트 밸브(18)가 설치되어 있다.
마이크로파 플라즈마원(2)은, 복수 경로에 분배해서 마이크로파를 출력하는 마이크로파 출력부(30)와, 마이크로파 출력부(30)로부터 출력된 마이크로파를 전송하는 마이크로파 전송부(40)와, 챔버(1)의 상부에 설치된 지지 링(29)에 의해 기밀하게 시일된 상태로 설치되고, 마이크로파 전송부(40)로부터 전송된 마이크로파를 챔버(1) 내에 방사하기 위한 원판 형상을 이루는 마이크로파 방사 부재(50)를 갖는다. 마이크로파 방사 부재(50)는 챔버(1)의 천장벽을 구성하고 있다. 마이크로파 방사 부재(50)에는 샤워 구조의 제1 가스 도입부(21)가 설치되어 있고, 제1 가스 도입부(21)에는, 제1 가스 공급원(22)으로부터, 플라즈마 생성용의 가스, 예를 들어 Ar 가스나, 고에너지로 분해시키고자 하는 가스, 예를 들어 O2 가스나 N2 가스 등의 제1 가스가 공급되도록 되어 있다. 또한, 마이크로파 방사 부재(50)를 포함하는 마이크로파 플라즈마원(2)의 상세한 구조에 대해서는 후술한다.
또한, 챔버(1) 내의 서셉터(11)와 마이크로파 방사 부재(50)와의 사이의 위치에는, 샤워 플레이트로서 구성되는 제2 가스 도입부(23)가 수평하게 설치되어 있다. 이 제2 가스 도입부(23)는, 격자 형상으로 형성된 가스 유로(24)와, 이 가스 유로(24)에 형성된 다수의 가스 토출 구멍(25)을 갖고 있으며, 격자 형상의 가스 유로(24)의 사이는 공간부(26)로 되어 있다. 이 제2 가스 도입부(23)의 가스 유로(24)에는 챔버(1)의 외측으로 연장되는 가스 공급 배관(27)이 접속되어 있고, 이 가스 공급 배관(27)에는 제2 가스 공급원(28)이 접속되어 있다. 제2 가스 공급원(28)으로부터는, 성막 처리나 에칭 처리 등의 플라즈마 처리 시에, 최대한 분해시키지 않고 공급하고자 하는 처리 가스, 예를 들어 SiH4 가스나 C5F8 가스 등의 제2 처리 가스가 공급되도록 되어 있다.
또한, 제1 가스 공급원(22) 및 제2 가스 공급원(28)으로부터 공급되는 가스로서는, 플라즈마 처리의 내용에 따른 다양한 가스를 사용할 수 있다.
(마이크로파 플라즈마원)
마이크로파 플라즈마원(2)은, 상술한 바와 같이, 마이크로파 출력부(30)와, 마이크로파 전송부(40)와, 마이크로파 방사 부재(50)를 갖는다.
도 2에 도시한 바와 같이, 마이크로파 출력부(30)는, 마이크로파 전원(31)와, 마이크로파 발진기(32)와, 발진된 마이크로파를 증폭하는 앰프(33)와, 증폭된 마이크로파를 복수로 분배하는 분배기(34)를 갖고 있다.
마이크로파 발진기(32)는, 소정 주파수(예를 들어, 860MHz)의 마이크로파를 예를 들어 PLL 발진시킨다. 분배기(34)에서는, 마이크로파의 손실이 가능한 한 일어나지 않도록, 입력측과 출력측의 임피던스 정합을 취하면서 앰프(33)에서 증폭된 마이크로파를 분배한다. 또한, 마이크로파의 주파수로서는, 860MHz 이외에, 915MHz 등, 700MHz부터 3GHz의 범위의 다양한 주파수를 사용할 수 있다.
마이크로파 전송부(40)는, 복수의 앰프부(42)와, 앰프부(42)에 대응해서 설치된 주연 마이크로파 도입 기구(43a) 및 중심 마이크로파 도입 기구(43b)를 갖는다. 주연 마이크로파 도입 기구(43a)는, 마이크로파 방사 부재(50)의 주연부 상에 둘레 방향을 따라 복수단 설치되어 있고, 중심 마이크로파 도입 기구(43b)는, 마이크로파 방사 부재(50)의 중앙부 위에 1개 설치되어 있다. 주연 마이크로파 도입 기구(43a)의 수는 2 이상이면 되지만, 3 이상이 바람직하고, 예를 들어 3 내지 6이다.
마이크로파 전송부(40)의 앰프부(42)는, 도 2에 도시한 바와 같이, 분배기(34)에서 분배된 마이크로파를 각 주연 마이크로파 도입 기구(43a) 및 중심 마이크로파 도입 기구(43b)에 유도한다. 앰프부(42)는, 위상기 (46)와, 가변 게인 앰프(47)와, 솔리드 스테이트 앰프를 구성하는 메인 앰프(48)와, 아이솔레이터(49)를 갖고 있다.
위상기(46)는, 마이크로파의 위상을 변화시킬 수 있도록 구성되어 있고, 이것을 조정함으로써 방사 특성을 변조시킬 수 있다. 예를 들어, 마이크로파 도입 기구마다 위상을 조정함으로써 지향성을 제어해서 플라즈마 분포를 변화시킬 수 있다. 또한, 인접하는 마이크로파 도입 기구에 있어서 90°씩 위상을 어긋나게 해서 원편파를 얻을 수 있다. 또한, 위상기(46)는, 앰프 내의 부품간의 지연 특성을 조정하여, 튜너 내에서의 공간 합성을 목적으로 사용할 수 있다. 단, 이러한 방사 특성의 변조나 앰프 내의 부품간의 지연 특성의 조정이 불필요한 경우에는 위상기(46)는 설치할 필요는 없다.
가변 게인 앰프(47)는, 메인 앰프(48)에 입력하는 마이크로파의 전력 레벨을 조정하여, 플라즈마 강도를 조정하기 위한 앰프이다. 가변 게인 앰프(47)를 각 안테나 모듈마다 변화시킴으로써, 발생하는 플라즈마에 분포를 발생시킬 수도 있다.
솔리드 스테이트 앰프를 구성하는 메인 앰프(48)는, 예를 들어 입력 정합 회로와, 반도체 증폭 소자와, 출력 정합 회로와, 고Q 공진 회로를 갖는 구성으로 할 수 있다.
아이솔레이터(49)는, 후술하는 슬롯 안테나에서 반사해서 메인 앰프(48)를 향하는 반사 마이크로파를 분리하는 것이며, 써큐레이터와 더미 로드(동축 종단기)를 갖고 있다. 써큐레이터는, 반사한 마이크로파를 더미 로드에 유도하고, 더미 로드는 써큐레이터에 의해 유도된 반사 마이크로파를 열로 변환한다.
주연 마이크로파 도입 기구(43a) 및 중심 마이크로파 도입 기구(43b)는, 후술하는 바와 같이, 앰프부(42)로부터 출력된 마이크로파를 마이크로파 방사 부재(50)에 도입하는 기능 및 임피던스를 정합하는 기능을 갖고 있다.
(마이크로파 방사 부재)
이어서, 마이크로파 플라즈마원(2)의 마이크로파 방사 부재(50)에 대해서 보다 상세하게 설명한다.
도 3은 마이크로파 방사 부재(50)의 주요부를 도시하는 단면도이며, 도 4는 마이크로파 방사 부재(50)의 주연부에 있어서의 슬롯 및 유전체층인 공기층의 배치를 도시하는 평면도이며, 도 5는 마이크로파 방사 부재(50)의 주연부에 있어서의 슬롯 및 유전체층인 공기층의 배치를 도시하는 둘레 방향의 단면도이다.
마이크로파 방사 부재(50)는, 금속제의 본체부(120)를 갖고 있으며, 주연 마이크로파 도입 기구(43a)가 배치되는 주연부와, 중심 마이크로파 도입 기구(43b)가 배치되는 중앙부를 갖고 있다. 그리고, 주연부는 웨이퍼(W)의 주연 영역에 대응하고, 중앙부는 웨이퍼의 중앙 영역에 대응한다.
본체부(120) 주연부의 상부에는, 주연 마이크로파 도입 기구(43a)의 배치 부분을 포함하는 원환 형상의 주연 마이크로파 도입 기구 배치 영역을 따라서 원환 형상을 이루는 지파재(121)가 끼워 넣어져 있고, 본체부(120) 주연부의 하면에는, 주연 마이크로파 도입 기구 배치 영역을 따라서 설치된 원환 형상을 이루는 마이크로파 투과 부재(122)가 끼워 넣어져 있다. 그리고, 본체부(120)의 지파재(121)와 마이크로파 투과 부재(122)와의 사이의 부분에는 복수의 슬롯(123) 및 유전체층(124)이 상하로 형성되어 있다.
지파재(121)는, 진공보다도 큰 유전율을 갖고 있고, 예를 들어 석영, 세라믹스, 폴리테트라플루오로에틸렌 등의 불소계 수지나 폴리이미드계 수지에 의해 구성되어 있다. 즉, 진공 중에서는 마이크로파의 파장이 길어지므로, 지파재(121)는, 유전율이 진공보다도 유전율이 큰 재료로 구성됨으로써, 마이크로파의 파장을 짧게 해서 슬롯(123)을 포함하는 안테나를 작게 하는 기능을 갖는다.
마이크로파 투과 부재(122)는, 마이크로파를 투과하는 재료인 유전체 재료로 구성되어 있고, 둘레 방향으로 균일한 표면파 플라즈마를 형성하는 기능을 갖고 있다. 마이크로파 투과 부재(122)는, 지파재(121)와 마찬가지로, 예를 들어 석영, 세라믹스, 폴리테트라플루오로에틸렌 등의 불소계 수지나 폴리이미드계 수지에 의해 구성할 수 있다. 또한, 마이크로파 투과 부재(122)는, 둘레 방향을 따라 복수로 분할되어 있어도 된다.
슬롯(123)은, 도 3에 도시한 바와 같이, 본체부(120)의 지파재(121)에 접하는 상면 위치로부터 유전체층(124)의 상면까지 달하고 있고, 주연 마이크로파 도입 기구(43a)로부터 전송되어 온 마이크로파의 방사 특성을 결정한다. 본체부(120)의 지파재(121)와 유전체층(124)과의 사이의 영역은, 슬롯(123)을 포함하는 슬롯 안테나부로서 구성되어 있다.
슬롯(123)은, 주연 마이크로파 도입 기구(43a)로부터 TEM파로서 전송되어 온 마이크로파를 TE파로 모드 변환하는 기능을 갖는다. 그리고, 슬롯(123)으로부터 방사된 마이크로파는, 유전체층(124) 및 마이크로파 투과 부재(122)를 거쳐서, 챔버(1) 내에 이른다.
도 4에 도시한 바와 같이, 슬롯(123)은 원호 형상을 이루고 있고, 복수의 슬롯(123)이 원환 형상을 이루는 주연 마이크로파 도입 기구 배치 영역의 둘레 방향을 따라, 전체 형상이 원주 형상을 이루도록 일렬로 배치되어 있다. 인접하는 슬롯(123)은 금속제의 본체(120)에 의해 분리되어 있다. 슬롯(123)의 형상 및 배치에 의해 마이크로파의 방사 특성이 결정되는데, 이렇게 복수의 원호 형상을 이루는 슬롯(123)이, 전체 형상이 원주 형상을 이루도록 형성됨으로써, 전계를 균일하게 분산시킬 수 있다. 도 4에서는 원호 형상의 슬롯(123)을 일렬로 12개 형성한 예를 나타내고 있지만, 슬롯(123)의 형상 및 개수는, 마이크로파 투과 부재(122)의 사이즈 및 마이크로파의 파장에 따라서 적절히 설정된다.
슬롯(123) 내는 진공이어도 되지만, 유전체가 충전되어 있는 것이 바람직하다. 슬롯(123)에 유전체를 충전함으로써, 마이크로파의 실효 파장이 짧게 되어, 슬롯의 두께를 얇게 할 수 있다. 슬롯(123)에 충전하는 유전체로서는, 예를 들어 석영, 세라믹스, 폴리테트라플루오로에틸렌 등의 불소계 수지나 폴리이미드계 수지를 사용할 수 있다.
하나의 슬롯(123)의 원주 방향의 길이는, 전계 강도를 높게 해서 양호한 효율을 얻는 관점에서 λg/2가 바람직하다. 여기서, λg는 마이크로파의 실효 파장이며, λg=λ/εs1 /2로 나타낼 수 있다. εs는 슬롯에 충전되는 유전체의 유전율이며, λ는 진공 중의 마이크로파의 파장이다. 원주 방향으로 전계 강도의 균일성이 높아지도록 미세 조정하는 미세 조정 성분 δ(0을 포함함)를 고려하면, 하나의 슬롯(123)의 길이는 (λg/2)-δ가 바람직하다.
또한, 슬롯(123)은, 지파재(121) 및 마이크로파 투과 부재(122)의 폭 방향(직경 방향) 중앙에 형성되어 있지만, 마이크로파 도입 기구(43a)는, 폭 방향 중앙보다도 내측에 설치되어 있다. 이것은, 지파재(121)의 내주와 외주의 길이의 차이를 고려하여, 내측과 외측에서 균등하게 전계를 분산시키기 위해서이다.
복수의 유전체층(124)은, 도 4, 도 5에 도시한 바와 같이, 각각 슬롯(123)에 대응해서 형성되어 있다. 본 예에서는, 12개의 슬롯(123) 각각에 대하여 합계 12개의 유전체층(124)이 형성되어 있다. 인접하는 유전체층(124)은, 금속제의 본체(120)에 의해 분리되어 있다. 유전체층(124) 내에는, 대응하는 슬롯(123)으로부터 방사되는 마이크로파에 의해 단일 루프의 자장을 형성시킬 수 있고, 그 아래의 마이크로파 투과 부재(122)에 있어서 자장 루프의 커플링이 발생하지 않도록 되어 있다. 이에 의해, 복수의 표면파 모드가 출현하는 것을 방지할 수 있어, 단일한 표면파 모드를 실현할 수 있다. 유전체층(124)의 둘레 방향의 길이는, 복수의 표면파 모드의 출현을 방지하는 관점에서는 λg/2 이하인 것이 바람직하다. 또한, 유전체층(124)의 두께는, 1 내지 5mm가 바람직하다.
유전체층(124)은, 공기(진공)이어도 되고, 유전체 세라믹스나 수지 등의 유전체 재료이어도 된다. 유전체 재료로서는, 예를 들어 석영, 세라믹스, 폴리테트라플루오로에틸렌 등의 불소계 수지나 폴리이미드계 수지를 사용할 수 있다. 플라즈마 처리 장치(100)가 300mm 웨이퍼를 처리하는 것으로, 마이크로파의 주파수가 860MHz, 지파재(121)나 마이크로파 투과 부재(122) 및 슬롯(123) 내의 유전체로서 유전율이 10 정도인 알루미나를 사용하는 경우에는, 유전체층(124)으로서 공기층(진공층)을 적절하게 사용할 수 있다.
한편, 본체부(120)의 중앙부의 상부에는, 중심 마이크로파 도입 기구(43b)에 대응하는 중심 마이크로파 도입 기구 배치 영역에 원판 형상을 이루는 지파재(131)가 끼워 넣어져 있고, 중앙부의 하면의 지파재(131)에 대응하는 부분에 원판 형상을 이루는 마이크로파 투과 부재(132)가 끼워 넣어져 있다. 그리고, 본체부(120)의 지파재(131)와 마이크로파 투과 부재(132)와의 사이의 부분은, 슬롯(133)을 갖는 슬롯 안테나부로 되어 있다. 슬롯(133)의 형상이나 크기는, 모드 점프의 발생을 억제하고 또한 균일한 전계 강도가 얻어지도록 적절히 조정된다. 예를 들어, 슬롯(133)은, 도 6에 도시하는 바와 같이 링 형상으로 형성된다. 이에 의해, 슬롯간의 이음매가 존재하지 않아, 균일한 전계를 형성할 수 있어, 모드 점프도 발생하기 어려워진다.
슬롯(133) 내에도 슬롯(123)과 마찬가지로, 유전체가 충전되어 있는 것이 바람직하다. 슬롯(133)에 충전되는 유전체로서는, 슬롯(123)에 사용한 것과 마찬가지의 것을 사용할 수 있다. 또한, 지파재(131) 및 마이크로파 투과 부재(132)를 구성하는 유전체에 대해서도, 상술한 지파재(121) 및 마이크로파 투과 부재(122)와 마찬가지의 것을 사용할 수 있다.
본체부(120)의 상면에는, 주연 마이크로파 도입 기구 배치 영역과 중심 마이크로파 도입 기구 배치 영역과의 사이에, 원환 형상의 홈(126)이 형성되어 있다. 이에 의해, 주연 마이크로파 도입 기구(43a)와 중심 마이크로파 도입 기구(43b)와의 사이의 마이크로파 간섭을 억제할 수 있다.
또한, 본체부(120)에는, 상술한 제1 가스 도입부(21)가 설치되어 있다. 제1 가스 도입부(21)는, 주연 마이크로파 도입 기구 배치 영역을 갖는 주연부와 중심 마이크로파 도입 기구 배치 영역을 갖는 중앙부와의 사이에 환상을 이루고, 동심 형상으로 형성된 외측 가스 확산 공간(141)과 내측 가스 확산 공간(142)을 갖고 있다. 외측 가스 확산 공간(141)의 상면에는, 본체부(120)의 상면으로부터 연결되는 가스 도입 구멍(143)이 형성되어 있고, 외측 가스 확산 공간(141)의 하면에는, 본체부(120)의 하면에 이르는 복수의 가스 토출 구멍(144)이 형성되어 있다. 한편, 내측 가스 확산 공간(142)의 상면에는, 본체부(120)의 상면으로부터 연결되는 가스 도입 구멍(145)이 형성되어 있고, 내측 가스 확산 공간(142)의 하면에는, 본체부(120)의 하면에 이르는 복수의 가스 토출 구멍(146)이 형성되어 있다. 가스 도입 구멍(143 및 145)에는, 제1 가스 공급원(22)으로부터의 제1 가스를 공급하기 위한 가스 공급 배관(111)이 접속되어 있다.
본체부(120)를 구성하는 금속으로서는, 알루미늄이나 구리와 같은 열전도율이 높은 금속이 바람직하다.
(마이크로파 도입 기구)
이어서, 마이크로파 도입 기구에 대해서 상세하게 설명한다.
이하의 설명에서는 주연 마이크로파 도입 기구(43a)에 대해서 설명한다. 도 7은 주연 마이크로파 도입 기구(43a)를 도시하는 단면도, 도 8은 주연 마이크로파 도입 기구(43a)의 급전 기구를 도시하는 도 7의 AA'선에 따른 횡단면도, 도 9는 주연 마이크로파 도입 기구(43a)에 있어서의 슬래그와 미끄럼 부재를 도시하는 도 7의 BB'선에 따른 횡단면도이다.
도 7에 도시한 바와 같이, 주연 마이크로파 도입 기구(43a)는, 슬래그 튜너로서 구성되는 도입 기구 본체(60)와, 슬래그를 구동하는 슬래그 구동부(70)를 갖고 있다. 그리고, 마이크로파는, 도입 기구 본체(60)로부터, 마이크로파 방사 부재(50)의 지파재(121), 슬롯(123), 마이크로파 투과 부재(122)를 거쳐서 챔버(1) 내에 방사되고, 그 마이크로파에 의해 챔버(1) 내에서 표면파 플라즈마를 형성하도록 되어 있다.
도입 기구 본체(60)는, 통 형상의 외측 도체(52) 및 그 내측에 설치된 통 형상의 내측 도체(53)가 동축 형상으로 배치되어 이루어지는 마이크로파 전송로(44)와, 외측 도체(52)와 내측 도체(53)와의 사이를 상하로 이동하는 제1 슬래그(61a), 제2 슬래그(61b)를 갖고 있다. 제1 슬래그(61a)는 상측에 설치되고, 제2 슬래그(61b)는 하측에 설치되어 있다. 그리고, 내측 도체(53)가 급전측, 외측 도체(52)가 접지측으로 되어 있다. 외측 도체(52) 및 내측 도체(53)의 상단은 반사판(58)으로 되어 있고, 하단은 본체부(120)의 지파재(121)와 유전체층(124)과의 사이의 영역에 접속되어 있다. 제1 슬래그(61a) 및 제2 슬래그(61b)를 이동시킴으로써, 챔버(1) 내의 부하(플라즈마)의 임피던스를 마이크로파 출력부(30)에 있어서의 마이크로파 전원(31)의 특성 임피던스에 정합시키는 기능을 갖는다.
마이크로파 전송로(44)의 기단측에는 마이크로파(전자파)를 급전하는 급전 기구(54)가 설치되어 있다. 급전 기구(54)는, 마이크로파 전송로(44)(외측 도체(52))의 측면에 형성되어 마이크로파 전력을 도입하기 위한 마이크로파 전력 도입 포트(55)를 갖고 있다. 마이크로파 전력 도입 포트(55)에는, 앰프부(42)로부터 증폭된 마이크로파를 공급하기 위한 급전선으로서, 내측 도체(56a) 및 외측 도체(56b)로 이루어지는 동축 선로(56)가 접속되어 있다. 그리고, 동축 선로(56)의 내측 도체(56a)의 선단에는, 외측 도체(52)의 내부를 향해서 수평하게 신장하는 급전 안테나(90)가 접속되어 있다.
급전 안테나(90)는, 예를 들어 알루미늄 등의 금속판을 절삭 가공한 후, 테플론(등록 상표) 등의 유전체 부재의 틀에 넣어 형성된다. 반사판(58)으로부터 급전 안테나(90)까지의 사이에는, 반사파의 실효 파장을 짧게 하기 위한 테플론(등록 상표) 등의 유전체로 이루어지는 지파재(59)가 설치되어 있다. 또한, 2.45GHz 등의 주파수가 높은 마이크로파를 사용한 경우에는, 지파재(59)는 설치하지 않아도 된다. 이때, 급전 안테나(90)로부터 반사판(58)까지의 거리를 최적화하여, 급전 안테나(90)로부터 방사되는 전자파를 반사판(58)에서 반사시킴으로써, 최대의 전자파를 동축 구조의 마이크로파 전송로(44) 내에 전송시킨다.
급전 안테나(90)는, 도 8에 도시한 바와 같이, 마이크로파 전력 도입 포트(55)에 있어서 동축 선로(56)의 내측 도체(56a)에 접속되고, 전자파가 공급되는 제1 극(92) 및 공급된 전자파를 방사하는 제2 극(93)을 갖는 안테나체(91)와, 안테나체(91)의 양측으로부터, 도입 기구 본체(60)의 내측 도체(53)의 외측을 따라서 연장하여, 링 형상을 이루는 반사부(94)를 갖고, 안테나체(91)에 입사된 전자파와 반사부(94)에서 반사된 전자파로 정재파를 형성하도록 구성되어 있다. 안테나체(91)의 제2 극(93)은 도입 기구 본체(60)의 내측 도체(53)에 접촉하고 있다.
급전 안테나(90)가 마이크로파(전자파)를 방사함으로써, 외측 도체(52)와 내측 도체(53)와의 사이의 공간에 마이크로파 전력이 급전된다. 그리고, 급전 기구(54)에 공급된 마이크로파 전력이 마이크로파 방사 부재(50)를 향해서 전파한다.
내측 도체(53)의 내부 공간에는, 그 길이 방향을 따라서 예를 들어 사다리꼴 나사가 형성된 나사봉으로 이루어지는 슬래그 이동용의 2개의 슬래그 이동축(64a, 64b)이 설치되어 있다.
도 9에 도시한 바와 같이, 제1 슬래그(61a)는, 유전체로 이루어지는 원환 형상을 이루고, 그 내측에 미끄럼성을 갖는 수지로 이루어지는 미끄럼 부재(63)가 끼워 넣어져 있다. 미끄럼 부재(63)에는 슬래그 이동축(64a)이 나사 결합하는 나사 구멍(65a)과 슬래그 이동축(64b)이 삽입 관통되는 관통 구멍(65b)이 형성되어 있다. 한편, 제2 슬래그(61b)도 마찬가지로, 나사 구멍(65a)과 관통 구멍(65b)을 갖고 있지만, 슬래그(61a)와는 반대로, 나사 구멍(65a)은 슬래그 이동축(64b)에 나사 결합되고, 관통구멍(65b)에는 슬래그 이동축(64a)이 삽입 관통되도록 되어 있다. 이에 의해 슬래그 이동축(64a)을 회전시킴으로써 제1 슬래그(61a)가 승강 이동하여, 슬래그 이동축(64b)을 회전시킴으로써 제2 슬래그(61b)가 승강 이동한다. 즉, 슬래그 이동축(64a, 64b)과 미끄럼 부재(63)로 이루어지는 나사 기구에 의해 제1 슬래그(61a) 및 제2 슬래그(61b)가 승강 이동된다.
내측 도체(53)에는 길이 방향을 따라서 등간격으로 3개의 슬릿(53a)이 형성되어 있다. 한편, 미끄럼 부재(63)는, 이들 슬릿(53a)에 대응하도록 3개의 돌출부(63a)가 등간격으로 형성되어 있다. 그리고, 이들 돌출부(63a)가 제1 슬래그(61a) 및 제2 슬래그(61b)의 내주에 맞닿은 상태에서 미끄럼 부재(63)가 제1 슬래그(61a) 및 제2 슬래그(61b)의 내부에 끼워 넣어진다. 미끄럼 부재(63)의 외주면은, 내측 도체(53)의 내주면과 여유 없이 접촉하도록 되어 있고, 슬래그 이동축(64a, 64b)이 회전됨으로써, 미끄럼 부재(63)가 내측 도체(53)를 미끄러져서 승강하도록 되어 있다. 즉, 내측 도체(53)의 내주면이 제1 슬래그(61a) 및 제2 슬래그(61b)의 미끄럼 가이드로서 기능한다.
상기 슬래그 이동축(64a, 64b)은, 반사판(58)을 관통해서 슬래그 구동부(70)에 연장되어 있다. 슬래그 이동축(64a, 64b)과 반사판(58)과의 사이에는 베어링(도시하지 않음)이 설치되어 있다.
슬래그 구동부(70)는 하우징(71)을 갖고, 슬래그 이동축(64a 및 64b)은, 하우징(71) 내에 연장되어 있고, 슬래그 이동축(64a 및 64b)의 상단에는, 각각 기어(72a 및 72b)가 설치되어 있다. 또한, 슬래그 구동부(70)에는, 슬래그 이동축(64a)을 회전시키는 모터(73a)와, 슬래그 이동축(64b)을 회전시키는 모터(73b)가 설치되어 있다. 모터(73a)의 축에는 기어(74a)가 설치되고, 모터(73b)의 축에는 기어(74b)가 설치되어 있어, 기어(74a)가 기어(72a)에 맞물리고, 기어(74b)가 기어(72b)에 맞물리도록 되어 있다. 따라서, 모터(73a)에 의해 기어(74a 및 72a)를 통해서 슬래그 이동축(64a)이 회전되고, 모터(73b)에 의해 기어(74b 및 72b)를 통해서 슬래그 이동축(64b)이 회전된다. 또한, 모터(73a, 73b)는, 예를 들어 스테핑 모터이다.
또한, 슬래그 이동축(64b)은 슬래그 이동축(64a)보다도 길어, 보다 상방에 달하고 있으며, 따라서, 기어(72a 및 72b)의 위치가 상하로 오프셋되어 있고, 모터(73a 및 73b)도 상하로 오프셋되어 있으므로, 모터 및 기어 등의 동력 전달 기구의 스페이스가 작고, 하우징(71)이 외측 도체(52)와 동일한 직경으로 되어 있다.
모터(73a 및 73b)의 위에는, 이들의 출력축에 직결하도록, 각각 슬래그(61a 및 61b)의 위치를 검출하기 위한 인크리먼트형의 인코더(75a 및 75b)가 설치되어 있다.
제1 슬래그(61a) 및 제2 슬래그(61b)의 위치는, 슬래그 컨트롤러(68)에 의해 제어된다. 구체적으로는, 도시하지 않은 임피던스 검출기에 의해 검출된 입력 단의 임피던스 값과, 인코더(75a 및 75b)에 의해 검지된 제1 슬래그(61a) 및 제2 슬래그(61b)의 위치 정보에 기초하여, 슬래그 컨트롤러(68)가 모터(73a 및 73b)에 제어 신호를 보내어, 제1 슬래그(61a) 및 제2 슬래그(61b)의 위치를 제어함으로써, 임피던스를 조정하도록 되어 있다. 슬래그 컨트롤러(68)는, 종단이 예를 들어 50Ω이 되도록 임피던스 정합을 실행시킨다. 2개의 슬래그 중 한쪽만을 움직이게 하면, 스미스 차트의 원점을 지나는 궤적을 그리고, 양쪽 동시에 움직이게 하면 위상만이 회전한다.
마이크로파 전송로(44)의 선단부에는, 임피던스 조정 부재(140)가 설치되어 있다. 임피던스 조정 부재(140)는, 유전체로 구성할 수 있고, 그 유전율에 의해 마이크로파 전송로(44)의 임피던스를 조정하도록 되어 있다. 마이크로파 전송로(44)의 선단의 저판(67)에는 원기둥 부재(82)가 설치되어 있고, 이 원기둥 부재(82)가 슬롯 안테나부에 접속되어 있다. 지파재(121)는, 그 두께에 의해 마이크로파의 위상을 조정할 수 있고, 슬롯 안테나부의 상면(마이크로파 방사면)이 정재파의 「배」가 되도록 그 두께가 조정된다. 이에 의해, 반사가 최소이고, 마이크로파의 방사 에너지가 최대가 되도록 할 수 있다.
본 실시 형태에서, 메인 앰프(48)와, 슬래그 튜너를 구성하는 도입 기구 본체(60)와, 마이크로파 방사 부재(50)의 슬롯 안테나부는 근접 배치하고 있다. 그리고, 슬래그 튜너와 슬롯 안테나부는 1/2 파장 내에 존재하는 집중 상수 회로를 구성하고 있고, 또한 슬롯 안테나부 및 지파재(121)는 합성 저항이 50Ω으로 설정되어 있으므로, 슬래그 튜너는 플라즈마 부하에 대하여 직접 튜닝하고 있게 되어, 효율적으로 플라즈마에 에너지를 전달할 수 있다.
또한, 중심 마이크로파 도입 기구(43b)는, 지파재(131)를 통해서 슬롯 안테나부(134)에 마이크로파를 전송하는 것 외에는 상기 주연 마이크로파 도입 기구(43a)와 마찬가지로 구성되며, 마찬가지의 기능을 갖는다.
<플라즈마 처리 장치의 동작>
이어서, 이상과 같이 구성되는 플라즈마 처리 장치(100)에 있어서의 동작에 대해 설명한다.
먼저, 웨이퍼(W)를 챔버(1) 내에 반입하여, 서셉터(11) 상에 적재한다. 그리고, 제1 가스 공급원(22)으로부터 플라즈마 생성 가스, 예를 들어 Ar 가스나, 고에너지로 분해시키고자 하는 제1 가스를 가스 공급 배관(111) 및 마이크로파 방사 부재(50)의 제1 가스 도입부(21)를 통해서 챔버(1) 내에 토출한다.
구체적으로는, 제1 가스 공급원(22)으로부터 가스 공급 배관(111)을 통해서 플라즈마 생성 가스나 처리 가스를, 가스 도입 구멍(143 및 145)을 거쳐서 제1 가스 도입부(21)의 외측 가스 확산 공간(141)과 내측 가스 확산 공간(142)에 공급하여, 가스 토출 구멍(144 및 146)으로부터 챔버(1)에 토출한다.
한편, 마이크로파 플라즈마원(2)의 마이크로파 출력부(30)로부터, 마이크로파 전송부(40)의 복수의 앰프부(42) 및 복수의 마이크로파 도입 기구(43)를 전송되어 온 마이크로파를 마이크로파 방사 부재(50)를 통해서 챔버(1) 내에 방사시켜, 마이크로파 방사 부재(50)의 표면 부분에 높은 전계 에너지에 의해 제1 가스를 플라즈마화해서 표면파 플라즈마를 생성한다.
또한, 제2 가스 공급원(28)으로부터 최대한 분해하지 않고 공급하고자 하는 처리 가스 등의 제2 가스를 가스 공급 배관(27) 및 제2 가스 도입부(23)를 통해서 챔버(1) 내로 토출한다. 제2 가스 도입부(23)로부터 토출된 제2 가스는, 제1 가스의 플라즈마에 의해 여기된다. 이때, 제2 가스 토출 위치는 마이크로파 방사 부재(50)의 표면으로부터 이격된 보다 에너지가 낮은 위치이기 때문에, 제2 가스는 불필요한 분해가 억제된 상태에서 여기된다. 그리고, 제1 가스 및 제2 가스의 플라즈마에 의해 웨이퍼(W)에 플라즈마 처리, 예를 들어 성막 처리나 에칭 처리를 실시한다.
이때, 3개의 주연 마이크로파 도입 기구(43a)에는, 마이크로파 출력부(30)의 마이크로파 발진기(32)로부터 발진되어, 앰프(33)에서 증폭된 후, 분배기(34)에 의해 복수로 분배되어, 앰프부(42)를 거친 마이크로파 전력이 급전된다. 이들 주연 마이크로파 도입 기구(43a)에 급전된 마이크로파 전력은, 마이크로파 전송로(44)를 전송되어, 마이크로파 방사 부재(50)의 주연부에 도입된다. 그때, 도입 기구 본체(60)의 제1 슬래그(61a) 및 제2 슬래그(61b)에 의해 임피던스가 자동 정합되고, 전력 반사가 실질적으로 없는 상태에서 마이크로파가 도입되고, 도입된 마이크로파는, 지파재(121)를 투과하여, 슬롯(123), 유전체층(124) 및 마이크로파 투과 부재(122)를 통해서 챔버(1) 내에 방사되어, 마이크로파 투과 부재(122) 및 본체부(120)의 하부 표면의 대응 부분에 표면파가 형성되고, 이 표면파에 의해 챔버(1) 내의 마이크로파 방사 부재(50)의 바로 아래 부분에 표면파 플라즈마가 생성된다.
이때, 종래와 같이, 원주 형상으로 배치된 복수의 슬롯(123)의 바로 아래에 마이크로파 투과 부재(122)를 배치한 경우에는, 도 10의 (a)에 도시한 바와 같이, 각 슬롯(123)으로부터 방사된 마이크로파에 의해 발생하는 자장은, 마이크로파 투과 부재(122)에서 커플링하는 경우가 있다. 그리고, 마이크로파 투과 부재(122)에서 자장이 커플링하거나, 하지 않거나 함으로써, 복수의 표면파 모드가 출현한다. 복수의 표면파 모드가 출현하면, 플라즈마 처리 시에 모드 점프가 발생하는 경우가 있어, 플라즈마 처리가 안정되지 않는다.
표면파 모드의 출현 확률은, 마이크로파 투과 부재 인자(형상, 재료)와 슬롯 인자(형상, 치수)에 의해 결정되고, 이들을 조정함으로써 단일 모드를 실현할 수 있다. 그러나, 마이크로파 투과 부재는 미리 설계되어 있어, 이것을 변경하는 것은 곤란하다. 이 때문에, 슬롯 인자를 조정하는 것이 유효하다. 따라서, 본 실시 형태에서는, 복수의 슬롯(123) 아래에, 각 슬롯(123)에 대응해서 복수의 유전체층(124)을 서로 분리해서 형성한다. 이에 의해, 도 10의 (b)에 도시한 바와 같이, 각 슬롯(123)으로부터 방사된 마이크로파에 의해 각 유전체층(124) 내에 단일 루프의 자장을 발생시킬 수 있고, 그에 의해, 마이크로파 투과 부재(122) 내에 유전체층(124)의 자장 루프에 대응하는 자장 루프가 형성되어, 마이크로파 투과 부재(122) 내에 자장 커플링이 발생하는 것을 방지할 수 있다. 이 때문에, 마이크로파 투과 부재(122) 내에서 자장 루프가 발생하거나 발생하지 않거나 함으로 인한 복수의 표면파 모드가 출현하는 것을 방지할 수 있어, 모드 점프가 발생하지 않는 안정된 플라즈마 처리를 실현할 수 있다.
이 경우에, 유전체층(124)에 정재파의 「배 부분」 또는 「마디 부분」이 복수 존재하면, 복수의 모드가 나오기 쉬워지기 때문에, 유전체층(124)의 둘레 방향의 길이는 λg/2 이하인 것이 바람직하다.
또한, 복수의 슬롯(123)을 원주 형상으로 배치하고 있으므로, 마이크로파를 원주 형상으로 방사할 수 있어, 둘레 방향의 플라즈마의 균일성을 높일 수 있다.
또한, 컴팩트하게 구성된 주연 마이크로파 도입 기구(43a)를 복수 원주 형상으로 배치하고, 그로부터 슬롯(123)에 마이크로파를 도입하도록 했으므로, 마이크로파 플라즈마원(2)을 콤팩트한 것으로 할 수 있다. 또한, 복수의 주연 마이크로파 도입 기구(43a)를 사용함으로써, 각 주연 마이크로파 도입 기구(43a)로부터 도입되는 마이크로파의 위상이나 강도를 개별로 조정할 수 있어, 플라즈마 분포의 조정을 비교적 용이하게 행할 수 있다.
또한, 본체부(120)의 상면에는, 주연 마이크로파 도입 기구 배치 영역과 중심 마이크로파 도입 기구 배치 영역과의 사이에, 원환 형상의 홈(126)이 형성되어 있으므로, 주연 마이크로파 도입 기구(43a)와 중심 마이크로파 도입 기구(43b)와의 사이의 마이크로파 간섭을 억제할 수 있다.
또한, 마이크로파 방사 부재(50)의 중앙부에는, 중심 마이크로파 도입 기구(43b)로부터 마이크로파가 도입된다. 중심 마이크로파 도입 기구(43b)로부터 도입된 마이크로파는, 지파재(131)를 투과하여, 슬롯 안테나부(134)의 슬롯(133) 및 마이크로파 투과 부재(132)를 통해서 챔버(1) 내에 방사되어, 챔버(1) 내의 중앙부에도 표면파 플라즈마가 생성된다. 이 때문에, 챔버(1) 내의 웨이퍼 배치 영역 전체에 균일한 플라즈마를 형성할 수 있다.
또한, 마이크로파 방사 부재(50)에 제1 가스 도입부(21)를 설치하고, 제1 가스 공급원(22)으로부터 제1 가스를, 마이크로파가 방사되는 챔버(1)의 상면 영역에 공급하므로, 제1 가스를 높은 에너지로 여기시켜, 가스가 분해된 상태의 플라즈마를 형성할 수 있다. 또한, 챔버(1)의 천장부보다 낮은 위치에 제2 가스 도입부(23)를 설치해서 제2 가스를 공급함으로써, 보다 낮은 에너지로 제2 가스를 분해시키지 않고 플라즈마화시킬 수 있다. 이에 의해, 요구되는 플라즈마 처리에 따라서 바람직한 플라즈마 상태를 형성할 수 있다.
<제2 실시 형태>
이어서, 제2 실시 형태에 대해서 설명한다.
제2 실시 형태의 플라즈마 처리 장치는, 마이크로파 방사 부재의 주연부에 있어서의 지파재가 둘레 방향으로 분할되어 있고, 이 분할된 지파재에 대응해서 주연 마이크로파 도입 기구 및 슬롯이 형성되어 있는 점이 상이한 것 외에는, 기본적으로 제1 실시 형태의 플라즈마 처리 장치와 동일하게 구성되어 있다. 따라서, 제1 실시 형태와 동일한 부분은 설명을 생략한다.
본 실시 형태에서는, 제1 실시 형태의 마이크로파 방사 부재(50) 대신에 마이크로파 방사 부재(50')를 갖고 있다. 마이크로파 방사 부재(50')는, 주연 마이크로파 도입 기구(43a)가 배치되는 주연부와, 중심 마이크로파 도입 기구(43b)가 배치되는 중앙부를 갖고 있다. 그리고, 주연부는 웨이퍼(W)의 주연 영역에 대응하고, 중앙부는 웨이퍼의 중앙 영역에 대응한다.
도 11에 도시한 바와 같이, 마이크로파 방사 부재(50')의 주연부의 위에는 둘레 방향을 따라 3개의 주연 마이크로파 도입 기구(43a)가 등간격으로 설치되어 있고, 마이크로파 방사 부재(50')의 중앙부의 위에는 하나의 중심 마이크로파 도입 기구(43b)가 설치되어 있다.
도 12에 도시한 바와 같이, 마이크로파 방사 부재(50')는, 금속제의 본체부(120)를 갖고 있다. 본체부(120) 주연부의 상부에는, 주연 마이크로파 도입 기구(43a)의 배치 부분을 포함하는 원환 형상의 주연 마이크로파 도입 기구 배치 영역을 따라서 복수의 지파재(121')가 끼워 넣어져 있다. 또한, 제1 실시 형태와 마찬가지로, 본체부(120) 주연부의 하면에는, 주연 마이크로파 도입 기구 배치 영역을 따라서 설치된 원환 형상을 이루는 유전체로 이루어지는 마이크로파 투과 부재(122)가 끼워 넣어져 있다. 그리고, 복수의 지파재(121')와 마이크로파 투과 부재(122)와의 사이의 부분에는 복수의 슬롯(123') 및 유전체층(124)이 상하로 형성되어 있다.
지파재(121')는, 도 13에 도시한 바와 같이, 원호 형상을 이루고, 주연 마이크로파 도입 기구(43a)의 2배의 수, 즉 6매 설치되어, 전체가 원환 형상을 이루도록 배치되어 있다. 이들 6매의 지파재(121')는 등간격으로 설치되어 있고, 인접하는 지파재(121')의 사이는 본체부(120)의 일부를 이루는 금속 부재(125)에 의해 분리되어 있다.
도 14에 도시한 바와 같이, 주연 마이크로파 도입 기구(43a)는, 각각 2매의 지파재(121')의 사이에 걸치도록 해서 배치되어 있다. 즉, 6매의 지파재(121')는, 각각 3개의 주연 마이크로파 도입 기구(43a)에 대응하는 위치로부터 양측으로 연장되도록 배치되어 있다. 이와 같이, 주연 마이크로파 도입 기구(43a)의 바로 아래의 위치에는 금속 부재(125)가 배치되어 있기 때문에, 주연 마이크로파 도입 기구(43a)에 전송되어 온 마이크로파 전력은, 금속 부재(125)에 의해 분리되고, 그 양측의 지파재(121')에 등분배된다.
지파재(121')는, 제1 지파재(121)와 마찬가지의, 진공보다도 큰 유전율을 갖고 있으며, 진공 중에서는 마이크로파의 파장이 길어지므로, 마이크로파의 파장을 짧게 하여 안테나를 작게 하는 기능을 갖고 있다.
슬롯(123')은, 본체부(120)의 지파재(121')에 접하는 상면 위치로부터 유전체층(124)의 상면까지 달하고 있고, 주연 마이크로파 도입 기구(43a)로부터 전송되어 온 마이크로파의 방사 특성을 결정한다. 본체부(120)의 지파재(121')와 유전체층(124)과의 사이의 영역은, 슬롯(123')을 포함하는 슬롯 안테나로서 구성되어 있다.
슬롯(123')은, 제1 실시 형태의 슬롯(123)과 마찬가지로, 주연 마이크로파 도입 기구(43a)로부터 TEM파로서 전송되어 온 마이크로파를 TE파로 모드 변환하는 기능을 갖는다. 그리고, 슬롯(123')으로부터 방사된 마이크로파는, 유전체층(124) 및 마이크로파 투과 부재(122)를 거쳐서, 챔버(1) 내에 이른다.
슬롯(123')은 원호 형상을 이루고, 도 15에 도시한 바와 같이, 원환 형상을 이루는 주연 마이크로파 도입 기구 배치 영역의 둘레 방향을 따라, 전체 형상이 원주 형상을 이루도록 복수 배치되어 있고, 각 지파재(121')에 대응해서 2개씩 형성되어 있다. 인접하는 슬롯(123')은, 금속제의 본체(120)에 의해 분리되어 있다. 슬롯(123')의 형상 및 배치에 의해 마이크로파의 방사 특성이 결정되는데, 이렇게 복수의 원호 형상을 이루는 슬롯(123')이, 전체 형상이 원주 형상을 이루도록 형성됨으로써, 전계를 균일하게 분산시킬 수 있다. 도 15에서는 원호 형상의 슬롯(123')을 일렬로 12개 형성한 예를 나타내고 있지만, 슬롯(123')의 형상 및 개수는, 마이크로파 투과 부재(122)의 사이즈 및 마이크로파의 파장에 따라서 적절히 설정된다.
제1 실시 형태의 슬롯(123)과 마찬가지로, 슬롯(123') 내는 진공이어도 되지만, 마이크로파의 실효 파장을 짧게 해서, 슬롯의 두께를 얇게 하는 관점에서, 유전체가 충전되어 있는 것이 바람직하다. 하나의 슬롯(123')의 원주 방향의 길이는, 슬롯(123)과 마찬가지로 λg/2가 바람직하다. 원주 방향으로 전계 강도의 균일성이 높아지도록 미세 조정하는 미세 조정 성분 δ(0을 포함함)을 고려하면, 하나의 슬롯(123')의 길이는 (λg/2)-δ가 바람직하다.
복수의 유전체층(124)은, 각각 슬롯(123')에 대응해서 형성되어 있다. 도 15의 예에서는, 12개의 슬롯(123') 각각에 대하여 합계 12개의 유전체층(124)이 형성되어 있다.
제1 실시 형태와 마찬가지로, 인접하는 유전체층(124)은, 금속제의 본체(120)에 의해 분리되어 있다. 유전체층(124) 내에는, 대응하는 슬롯(123')으로부터 방사되는 마이크로파에 의해 단일 루프의 자장을 형성시킬 수 있어, 그 아래의 마이크로파 투과 부재(122)에 있어서 자장 루프의 커플링이 발생하지 않도록 되어 있다. 이에 의해, 제1 실시 형태와 마찬가지로, 복수의 표면파 모드가 출현하는 것을 방지할 수 있어, 단일한 표면파 모드를 실현할 수 있다. 유전체층(124)의 둘레 방향의 길이는, 복수의 표면파 모드의 출현을 방지하는 관점에서는 λg/2 이하인 것이 바람직하다.
이렇게 구성되는 플라즈마 처리 장치에서는, 제1 실시 형태와 마찬가지로, 웨이퍼(W)를 챔버(1) 내에 반입하여, 서셉터(11) 위에 적재하고, 제1 가스 공급원(22)으로부터 플라즈마 생성 가스, 예를 들어 Ar 가스나, 고에너지로 분해시키고자 하는 제1 가스를 가스 공급 배관(111) 및 마이크로파 방사 부재(50)의 제1 가스 도입부(21)를 통해서 챔버(1) 내에 토출한다.
그리고, 마이크로파 플라즈마원(2)의 마이크로파 출력부(30)로부터, 마이크로파 전송부(40)의 복수의 증폭기부(42) 및 복수의 마이크로파 도입 기구(43)에 전송되어 온 마이크로파를 마이크로파 방사 부재(50')를 통해서 챔버(1) 내에 방사시켜, 마이크로파 방사 부재(50')의 표면 부분에 높은 전계 에너지에 의해 제1 가스를 플라즈마화해서 표면파 플라즈마를 생성한다.
또한, 제2 가스 도입부(23)로부터 토출된 제2 가스는, 제1 가스의 플라즈마에 의해 여기된다. 이때, 제2 가스 토출 위치는 마이크로파 방사 부재(50')의 표면으로부터 이격된 보다 에너지가 낮은 위치이기 때문에, 제2 가스는 불필요한 분해가 억제된 상태에서 여기된다. 그리고, 제1 가스 및 제2 가스의 플라즈마에 의해 웨이퍼(W)에 플라즈마 처리, 예를 들어 성막 처리나 에칭 처리를 실시한다.
이때, 원호 형상의 6매의 지파재(121')가 주연 마이크로파 도입 기구 배치 영역을 따라서 전체가 원환 형상을 이루도록 배치되고, 이들이 본체부(120)의 일부를 이루는 금속 부재(125)에 의해 분리되어 있고, 주연 마이크로파 도입 기구(43a)는, 각각 2매의 지파재(121')의 사이에 걸치도록 해서 배치되어 있다. 즉, 6매의 지파재(121')는, 각각 3개의 주연 마이크로파 도입 기구(43a)에 대응하는 위치로부터 양측으로 연장되도록 배치되어 있다. 이와 같이, 주연 마이크로파 도입 기구(43a)의 바로 아래의 위치에는 금속 부재(125)가 배치되어 있기 때문에, 주연 마이크로파 도입 기구(43a)에 전송되어 온 마이크로파는, 금속 부재(125)에 의해 분리된다.
둘레 방향으로 복수의 마이크로파 도입 기구를 배치하는 경우, 둘레 방향으로 어느 정도 균일한 마이크로파 전계를 얻을 수 있지만, 복수의 마이크로파 도입 기구로부터 마이크로파를 도입하면, 바로 아래 부분의 전계 강도가 커지는 경향이 있어, 요구되는 균일성의 레벨에 따라서는 둘레 방향으로 마이크로파 전계의 균일성이 반드시 충분하지는 않은 경우가 있다.
이에 반해, 본 실시 형태와 같이, 복수의 지파재(121')를 금속 부재(125)에 의해 분리하고, 주연 마이크로파 도입 기구(43a)에 전송되어 온 마이크로파를 금속 부재(125)에 의해 분리하도록 함으로써, 주연 마이크로파 도입 기구(43a) 바로 아래 부분의 전계 강도가 커지지 않고, 그 양측의 지파재(121')에 등분 배치된다. 이에 의해, 둘레 방향의 전계 강도가 충분히 균일화된다. 그리고, 마이크로파는 주연 마이크로파 도입 기구 배치 영역을 따라서 전체 형상이 원주 형상을 이루도록 형성된 슬롯(123')으로부터 방사되고, 또한 슬롯(123')을 덮도록 원환 형상으로 마이크로파 투과 부재(122)가 설치되어 있기 때문에, 지파재(121')에서 균일하게 분배된 마이크로파 전력을, 슬롯(123')에서 균일하게 방사하고, 또한 유전체층(124)을 거쳐서 마이크로파 투과 부재(122)에서 원주 형상으로 확장할 수 있다. 이 때문에, 마이크로파 투과 부재(122) 바로 아래에서는 주연 마이크로파 도입 기구 배치 영역을 따라서 충분히 균일한 마이크로파 전계를 형성할 수 있어, 챔버(1) 내에 둘레 방향으로 고레벨로 균일한 표면파 플라즈마를 형성할 수 있다. 또한, 이와 같이 하여 마이크로파 전력을 둘레 방향으로 확장할 수 있으므로, 주연 마이크로파 도입 기구(43a)를 적은 개수로 할 수 있어, 장치 비용을 저감하는 것이 가능하게 된다.
또한, 이와 같이 원주 형상으로 배치된 복수의 슬롯(123')의 바로 아래에 마이크로파 투과 부재(122)를 배치한 경우에는, 상술한 바와 같이, 마이크로파 투과 부재(122)에서 자장이 커플링하거나, 하지 않거나 함으로써, 복수의 표면파 모드가 출현한다.
이에 반해, 본 실시 형태에서는, 제1 실시 형태와 마찬가지로, 복수의 슬롯(123') 아래에, 각 슬롯(123')에 대응해서 복수의 유전체층(124)을 서로 분리해서 형성하였기 때문에, 각 슬롯(123')으로부터 방사된 마이크로파에 의해 각 유전체층(124) 내에 단일 루프의 자장을 발생시킬 수 있고, 그에 의해, 마이크로파 투과 부재(122)에 자장 루프의 커플링이 발생하는 것을 방지할 수 있다. 이 때문에, 마이크로파 투과 부재(122) 내에서 자장 루프가 발생하거나 발생하지 않거나 함으로 인한 복수의 표면파 모드가 출현하는 것을 방지할 수 있다. 이 때문에, 모드 점프가 발생하지 않는 안정된 플라즈마 처리를 실현할 수 있다. 또한, 제1 실시 형태와 마찬가지로, 유전체층(124)의 둘레 방향의 길이는 λg/2 이하인 것이 바람직하다.
또한, 컴팩트하게 구성된 주연 마이크로파 도입 기구(43a)를 복수 원주 형상으로 배치하고, 거기로부터 슬롯(123')에 마이크로파를 도입하도록 했으므로, 마이크로파 플라즈마원(2)을 콤팩트한 것으로 할 수 있다. 또한, 복수의 주연 마이크로파 도입 기구(43a)를 사용함으로써, 각 주연 마이크로파 도입 기구(43a)로부터 도입되는 마이크로파의 위상이나 강도를 개별로 조정할 수 있어, 플라즈마 분포의 조정을 비교적 용이하게 행할 수 있다.
또한, 제1 실시 형태와 마찬가지로, 본체부(120)의 상면에는, 주연 마이크로파 도입 기구 배치 영역과 중심 마이크로파 도입 기구 배치 영역과의 사이에, 원환 형상의 홈(126)이 형성되어 있으므로, 주연 마이크로파 도입 기구(43a)와 중심 마이크로파 도입 기구(43b)와의 사이의 마이크로파 간섭을 억제할 수 있다.
또한, 마이크로파 방사 부재(50')의 중앙부에, 중심 마이크로파 도입 기구(43b)로부터 마이크로파가 도입되어, 챔버(1) 내의 중앙부에도 표면파 플라즈마가 생성된다. 이 때문에, 챔버(1) 내의 웨이퍼 배치 영역 전체에 균일한 플라즈마를 형성할 수 있다.
또한, 제2 실시 형태에서, 마이크로파 방사 부재(50')의 주연부 위에 둘레 방향을 따라 3개의 주연 마이크로파 도입 기구(43a)를 설치하고, 그것에 대응해서 각 주연 마이크로파 도입 기구(43a)에 대응해서 2개씩, 합계 6매의 지파재(121')를 설치한 예를 나타냈지만, 주연 마이크로파 도입 기구(43a)의 수는 3개에 한하지 않고, 2개 이상이면 되고, 또한 지파재(121')의 수는 주연 마이크로파 도입 기구(43a)의 2배이면 되며, 이러한 수는 상기 효과가 얻어지도록 적절히 설정하면 된다.
<실험 결과>
이어서, 본 발명의 효과를 확인한 실험 결과에 대해서 설명한다.
도 16은, 제2 실시 형태의 장치를 기본으로 하여, 슬롯 아래에 유전체층을 형성하지 않은 경우와 형성한 경우와, 마이크로파를 도입한 경우에 대해서, 압력에 상당하는 유전 손실(tanδ)과 플라즈마 밀도에 상당하는 유전율의 좌표에 있어서 이들을 변화시킨 경우의 표면파 모드를 도시하는 도면이다. 유전체층을 형성하지 않은 경우에는, (a)에 도시한 바와 같이, 조건의 변화에 따라 TM01, TM21, TM61, TMxx의 4개의 모드가 출현하였다. 이에 반해, 유전체층으로서 공기층을 형성한 경우에는, (b)에 도시한 바와 같이, TM61의 단일 모드이었다.
또한, 유전체층으로서 두께 2 내지 4mm의 공기층을 형성한 실제의 장치에서 조건을 변화시켜서 표면파 플라즈마를 생성시킨 결과, 도 16의 (b)와 마찬가지로, TM61의 단일 모드이었다.
<다른 적용>
이상, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시 형태에 대해서 설명했지만, 본 발명은 상기 2개의 실시 형태에 한정되지 않고, 본 발명의 사상의 범위 내에서 다양하게 변형 가능하다.
상기 실시 형태에서는, 마이크로파 방사 부재의 중앙부에 중심 마이크로파 도입 기구를 설치하고, 챔버(1) 내의 웨이퍼(W)의 중앙 영역에 대응하는 부분에도 표면파 플라즈마를 생성시켰지만, 중앙부의 구성은 상기 실시 형태에 한정되지 않으며, 예를 들어 도 17의 구성으로 할 수 있다.
도 17의 플라즈마 장치(100')는, 제1 실시 형태의 마이크로파 방사 부재(50)나 제2 실시 형태의 마이크로파 방사 부재(50') 대신에 주연 마이크로파 방사 기구(43a)의 배치 영역을 포함하는 환상의 마이크로파 방사 부재(50")를 설치하고, 그 내측의 중앙 부분에, 절연 부재(151)를 개재해서 웨이퍼(W)와 거의 동등한 크기를 갖는 도전성을 이루는 샤워 헤드(150)를 설치하고 있다. 샤워 헤드(150)는 원판 형상으로 형성된 가스 확산 공간(152)과, 가스 확산 공간(152)으로부터 챔버(1) 내에 면하도록 형성된 다수의 가스 토출 구멍(153)과, 가스 도입 구멍(154)을 갖고 있다. 가스 도입 구멍(154)에는 가스 공급 배관(158)이 접속되고, 가스 공급 배관(158)에는 가스 공급원(157)이 접속되어 있다. 샤워 헤드(150)에는, 정합기(155)를 통해서 플라즈마 생성용의 고주파 전원(156)이 전기적으로 접속되어 있다. 서셉터(11)는 도전성 부분을 갖고 있으며, 샤워 헤드(150)의 대향 전극으로서 기능한다. 가스 공급원(157)으로부터 가스 공급 배관(158) 및 샤워 헤드(150)를 통해서 챔버(1) 내에 플라즈마 처리에 필요한 가스를 일괄해서 공급하고, 이 고주파 전원(156)으로부터 샤워 헤드(150)에 고주파 전력이 공급됨으로써, 샤워 헤드(150)와 서셉터(11)의 사이에 고주파 전계가 형성되어, 웨이퍼(W)의 바로 위의 공간에 용량 결합 플라즈마가 형성된다. 이와 같은 구성의 플라즈마 처리 장치(100')는, 중앙 부분의 구성이, 웨이퍼에 대하여 플라즈마 에칭을 행하는 평행 평판형의 플라즈마 에칭 장치와 마찬가지이기 때문에, 예를 들어 웨이퍼의 주연의 플라즈마 밀도 조정을 마이크로파를 사용한 표면파 플라즈마로 행하는 플라즈마 에칭 장치로서 사용할 수 있다.
또한, 중앙부에 플라즈마를 생성하는 기구를 설치하지 않는 것도 가능하다.
또한, 마이크로파 출력부(30)나 마이크로파 전송부(40)의 구성 등은, 상기 실시 형태에 한정되는 것은 아니며, 예를 들어 슬롯 안테나부에서 방사되는 마이크로파의 지향성 제어를 행하거나 원편파로 하거나 할 필요가 없는 경우에는, 위상기는 불필요하다.
또한, 상기 실시 형태에서는, 마이크로파를 마이크로파 방사 부재에 도입할 때 복수의 마이크로파 도입 기구를 사용한 예에 대해서 설명했지만, 본 발명은 원주 형상으로 복수 배치된 슬롯으로부터 마이크로파를 방사해서 표면파 플라즈마를 생성할 때 단일 표면파 모드를 얻을 수 있으면 되고, 마이크로파 도입 기구는 하나이어도 되며, 마이크로파의 도입 형태도 한정되지 않는다. 또한, 마이크로파 방사 부재의 중앙부에 플라즈마를 생성하는 기구를 설치하지 않는 것도 가능하다.
또한, 상기 실시 형태에서는, 플라즈마 처리 장치로서 성막 장치 및 에칭 장치를 예시했지만, 이에 한정하지 않고, 산화 처리 및 질화 처리를 포함하는 산질화막 형성 처리, 애싱 처리 등의 다른 플라즈마 처리에도 사용할 수 있다. 또한, 피처리체는 반도체 웨이퍼(W)에 한정되지 않고, LCD(액정 디스플레이)용 기판으로 대표되는 FPD(플랫 패널 디스플레이) 기판이나, 세라믹스 기판 등의 다른 기판이어도 된다.
1; 챔버 2; 마이크로파 플라즈마원
3; 전체 제어부 11; 서셉터
12; 지지 부재 15; 배기관
16; 배기 장치 17; 반입출구
21; 제1 가스 도입부 22; 제1 가스 공급원
23; 제2 가스 도입부 28; 제2 가스 공급원
30; 마이크로파 출력부 31; 마이크로파 전원
32; 마이크로파 발진기 40; 마이크로파 전송부
42; 앰프부
43a; 주연 마이크로파 도입 기구
43b; 중심 마이크로파 도입 기구
44; 마이크로파 전송로
50, 50', 50"; 마이크로파 방사 부재 52; 외측 도체
53; 내측 도체 54; 급전 기구
55; 마이크로파 전력 도입 포트 60; 도입 기구 본체
100; 플라즈마 처리 장치 121, 121'; 지파재
122; 마이크로파 투과 부재 123, 123'; 슬롯
124; 유전체층 W; 반도체 웨이퍼

Claims (22)

  1. 플라즈마 처리 장치의 챔버 내에 마이크로파를 방사해서 표면파 플라즈마를 형성하는 마이크로파 플라즈마원으로서,
    마이크로파를 생성해서 출력하는 마이크로파 출력부와,
    상기 마이크로파 출력부로부터 출력된 마이크로파를 전송하기 위한 마이크로파 전송부와,
    상기 챔버의 천장벽을 구성하고, 상기 마이크로파 전송부로부터 공급된 마이크로파를 상기 챔버 내에 방사하기 위한 마이크로파 방사 부재
    를 포함하고,
    상기 마이크로파 전송부는, 상기 마이크로파 방사 부재에 마이크로파를 도입하는 마이크로파 도입 기구를 포함하고,
    상기 마이크로파 방사 부재는,
    금속제의 본체부와,
    상기 본체부의 마이크로파가 도입되는 부분에 설치된 유전체로 이루어지는 지파재와,
    상기 지파재에 의해 덮이고 전체가 원주 형상이 되도록 서로 분리해서 형성되고, 상기 지파재를 통해서 도입된 마이크로파를 방사하는 복수의 슬롯과,
    상기 본체부의 상기 챔버측 부분에 설치되고, 상기 슬롯의 배치 영역을 덮도록 설치되며, 상기 챔버측 부분에 표면파가 형성되는 유전체로 이루어지는 마이크로파 투과 부재와,
    상기 복수의 슬롯과 상기 마이크로파 투과 부재와의 사이에, 상기 복수의 슬롯에 대응해서 서로 분리해서 형성되고, 상기 슬롯으로부터의 마이크로파 전계에 의해 단일한 자장 루프가 형성되도록 형성된 복수의 유전체층을 포함하는 마이크로파 플라즈마원.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 유전체층의 각각의 둘레 방향의 길이는, 상기 복수의 유전체층의 각각의 내의 마이크로파의 실효 파장을 λg로 했을 때, λg/2 이하인, 마이크로파 플라즈마원.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 유전체층은, 공기층 또는 유전체 재료층인, 마이크로파 플라즈마원.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 복수의 슬롯은, 진공 또는 유전체 재료로 이루어지고, 원호 형상으로 형성되며, 원주 방향을 따라 일렬로 배치되어 있는, 마이크로파 플라즈마원.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 복수의 슬롯의 각각의 둘레 방향의 길이는, 상기 복수의 슬롯의 각각의 내의 마이크로파의 실효 파장을 λg로 하고, 미세 조정 성분을 δ(0을 포함함)로 했을 때, (λg/2)-δ인, 마이크로파 플라즈마원.
  6. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 마이크로파 도입 기구는, 상기 마이크로파 방사 부재의 위의 상기 챔버 내의 주연 부분에 대응하는 주연부에, 원주 방향을 따라 복수 설치되어 있는, 마이크로파 플라즈마원.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 지파재는, 상기 복수의 마이크로파 도입 기구의 배치 부분을 포함하는 원환 형상을 이루는 마이크로파 도입 기구 배치 영역을 따라서 전체 형상이 원환 형상으로 되도록 복수 설치되고,
    상기 복수의 지파재는, 인접하는 것이 금속 부재에 의해 분리된 상태에서 배치되고, 상기 마이크로파 도입 기구의 수의 2배의 매수이며, 상기 각 마이크로파 도입 기구에 대응하는 위치로부터, 양측으로 연장되도록 배치되어 있는, 마이크로파 플라즈마원.
  8. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 마이크로파 방사 부재는 원판 형상을 이루고, 그 위의 상기 챔버 내의 중앙 부분에 대응하는 중앙부에 배치된 다른 마이크로파 도입 기구를 더 포함하고, 상기 마이크로파 방사 부재의 중앙으로부터 상기 챔버 내의 중앙부에도 표면파 플라즈마가 생성되도록 구성된, 마이크로파 플라즈마원.
  9. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 마이크로파 방사 부재는, 상기 챔버 내에 플라즈마 처리에 사용하는 가스를 도입하는 가스 도입부를 더 포함하는, 마이크로파 플라즈마원.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 마이크로파 방사 부재의 상면의, 상기 마이크로파 도입 기구 배치 영역과 상기 다른 마이크로파 도입 기구가 배치된 영역의 사이의 부분에, 원환 형상의 홈이 형성되어 있는, 마이크로파 플라즈마원.
  11. 피처리 기판을 수용하는 챔버와,
    상기 챔버 내에 가스를 공급하는 가스 공급 기구와,
    상기 챔버 내에 마이크로파를 방사해서 표면파 플라즈마를 형성하는 마이크로파 플라즈마원
    을 포함하고, 상기 표면파 플라즈마에 의해 피처리 기판에 플라즈마 처리를 실시하는 플라즈마 처리 장치로서,
    상기 마이크로파 플라즈마원은,
    마이크로파를 생성해서 출력하는 마이크로파 출력부와, 상기 마이크로파 출력부로부터 출력된 마이크로파를 전송하기 위한 마이크로파 전송부와, 상기 챔버의 천장벽을 구성하고, 상기 마이크로파 전송부로부터 공급된 마이크로파를 상기 챔버 내에 방사하기 위한 마이크로파 방사 부재를 포함하고,
    상기 마이크로파 전송부는, 상기 마이크로파 방사 부재에 마이크로파를 도입하는 마이크로파 도입 기구를 포함하고,
    상기 마이크로파 방사 부재는,
    금속제의 본체부와,
    상기 본체부의 마이크로파가 도입되는 부분에 설치된 유전체로 이루어지는 지파재와,
    상기 지파재에 의해 덮이고 전체가 원주 형상이 되도록 서로 분리해서 형성되고, 상기 지파재를 통해서 도입된 마이크로파를 방사하는 복수의 슬롯과,
    상기 본체부의 상기 챔버측 부분에 설치되고, 상기 슬롯의 배치 영역을 덮도록 설치되며, 상기 챔버측 부분에 표면파가 형성되는 유전체로 이루어지는 마이크로파 투과 부재와,
    상기 복수의 슬롯과 상기 마이크로파 투과 부재와의 사이에, 상기 복수의 슬롯에 대응해서 서로 분리해서 형성되고, 상기 슬롯으로부터의 마이크로파 전계에 의해 단일한 자장 루프가 형성되도록 형성된 복수의 유전체층을 포함하는 플라즈마 처리 장치.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 복수의 유전체층의 각각의 둘레 방향의 길이는, 상기 복수의 유전체층의 각각의 내의 마이크로파의 실효 파장을 λg로 했을 때, λg/2 이하인, 플라즈마 처리 장치.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 복수의 유전체층은, 공기층 또는 유전체 재료층인, 플라즈마 처리 장치.
  14. 제11항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 복수의 슬롯은, 진공 또는 유전체 재료로 이루어지고, 원호 형상으로 형성되며, 원주 방향을 따라 일렬로 배치되어 있는, 플라즈마 처리 장치.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 복수의 슬롯의 각각의 둘레 방향의 길이는, 상기 복수의 슬롯의 각각의 내의 마이크로파의 실효 파장을 λg로 하고, 미세 조정 성분을 δ(0을 포함함)로 했을 때, (λg/2)-δ인, 플라즈마 처리 장치.
  16. 제11항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 마이크로파 도입 기구는, 상기 마이크로파 방사 부재의 위의 상기 챔버 내의 주연 부분에 대응하는 주연부에, 원주 방향을 따라 복수 설치되어 있는, 플라즈마 처리 장치.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 지파재는, 상기 복수의 마이크로파 도입 기구의 배치 부분을 포함하는 원환 형상을 이루는 마이크로파 도입 기구 배치 영역을 따라서 전체 형상이 원환 형상으로 되도록 복수 설치되고,
    상기 복수의 지파재는, 인접하는 것이 금속 부재에 의해 분리된 상태에서 배치되고, 상기 마이크로파 도입 기구의 수의 2배의 매수이며, 상기 각 마이크로파 도입 기구에 대응하는 위치로부터, 양측으로 연장되도록 배치되어 있는, 플라즈마 처리 장치.
  18. 제11항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 마이크로파 방사 부재는 원판 형상을 이루고, 그 위의 상기 챔버 내의 중앙 부분에 대응하는 중앙부에 배치된 다른 마이크로파 도입 기구를 더 포함하고, 상기 마이크로파 방사 부재의 중앙으로부터 상기 챔버 내의 중앙부에도 표면파 플라즈마가 생성되도록 구성된, 플라즈마 처리 장치.
  19. 제11항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 가스 공급 기구는, 상기 마이크로파 방사 부재에 설치된, 제1 가스를 도입하는 제1 가스 도입부를 포함하는, 플라즈마 처리 장치.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 챔버 내에 피처리 기판을 적재하는 적재대가 더 설치되고, 상기 가스 공급 기구는, 상기 마이크로파 방사 부재와 상기 적재대와의 사이에 플라즈마 처리에 사용하는 제2 가스를 도입하는 제2 가스 도입부를 포함하는, 플라즈마 처리 장치.
  21. 제20항에 있어서,
    상기 마이크로파 방사 부재의 상면의, 상기 마이크로파 도입 기구 배치 영역과 상기 다른 마이크로파 도입 기구가 배치된 영역의 사이의 부분에, 원환 형상의 홈이 형성되어 있는, 플라즈마 처리 장치.
  22. 제11항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 마이크로파 방사 부재는, 상기 챔버 내의 주연부에 대응하는 환상을 이루고,
    상기 플라즈마 처리 장치는,
    피처리 기판을 적재하는 적재대와,
    상기 마이크로파 방사 부재의 내측 부분에 설치되고, 상기 챔버 내에 플라즈마 처리에 사용하는 가스를 샤워 형상으로 도입하는 샤워 헤드와,
    상기 샤워 헤드와 상기 적재대와의 사이에 고주파 전계를 형성하는 고주파 전계 형성 기구를 더 포함하고,
    상기 고주파 전계 형성 기구에 의해, 상기 챔버 내에 용량 결합 플라즈마가 형성되는, 플라즈마 처리 장치.
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