KR20170015161A - 마이크로파 플라즈마원 및 플라즈마 처리 장치 - Google Patents

마이크로파 플라즈마원 및 플라즈마 처리 장치 Download PDF

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Abstract

마이크로파 방사 기구를 복수 가져도, 넓은 프로세스 조건에서 이상 방전이 발생하기 어렵고, 플라즈마 착화성이 양호한 마이크로파 플라즈마원 및 그것을 사용한 플라즈마 처리 장치를 제공한다. 마이크로파 플라즈마원(2)은, 챔버(1)의 천장벽에 설치되고, 챔버(1) 내에 마이크로파를 방사하는 복수의 마이크로파 방사 기구(43)와, 복수의 마이크로파 방사 기구(43)의 마이크로파 방사면의 바로 아래의 고전계 형성 영역에 설치되며, 다수의 구멍을 갖고, 접지 전위로 설정된 도전성 재료로 이루어지는 다공판(151)을 갖는다. 다공판(151)은, 마이크로파 방사 기구(43)로부터 마이크로파가 방사되었을 때, 마이크로파 방사면의 바로 아래에 형성되는 표면파를, 고전계 영역이 되는 마이크로파 방사면과 다공판(151)에 의해 둘러싸인 공간(152)에 가두어, 공간(152)에 생성되는 플라즈마의 전력 흡수 효율을 높게 유지하는 기능을 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 기술인데, 최근 들어, LSI의 고집적화, 고속화의 요청으로 LSI를 구성하는 반도체 소자의 디자인 룰이 점점 미세화되고, 또한, 반도체 웨이퍼가 대형화되고 있으며, 그에 따라, 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, 고밀도로 저전자 온도의 표면파 플라즈마를 균일하게 형성할 수 있는 RLSA(등록 상표) 마이크로파 플라즈마 처리 장치가 주목받고 있다(예를 들어 특허문헌 1).
RLSA(등록 상표) 마이크로파 플라즈마 처리 장치는, 표면파 플라즈마를 발생시키기 위한 마이크로파를 방사하는 마이크로파 방사 안테나로서 챔버의 상부에 소정의 패턴으로 복수의 슬롯이 형성된 평면 슬롯 안테나인 래디얼 라인 슬롯 안테나를 설치하고, 마이크로파 발생원으로부터 유도된 마이크로파를, 안테나의 슬롯으로부터 방사시킴과 함께, 그 아래에 설치된 유전체로 이루어지는 마이크로파 투과판을 통해 진공으로 유지된 챔버 내에 방사하여, 이 마이크로파 전계에 의해 챔버 내에서 표면파 플라즈마를 생성하고, 이에 의해 반도체 웨이퍼 등의 피처리체를 처리하는 것이다.
이러한 RLSA(등록 상표) 마이크로파 플라즈마 장치에 있어서, 플라즈마 분포를 조정하는 경우, 슬롯 형상 및 패턴 등이 상이한 복수의 안테나를 준비해 두고, 안테나를 교환할 필요가 있어 매우 번잡하다.
이에 반해, 특허문헌 2에는, 마이크로파를 복수로 분배하여, 상기와 같은 평면 안테나와 임피던스 정합을 행하는 튜너를 갖고 마이크로파를 챔버 내에 방사하는 마이크로파 방사 기구를 복수 설치하고, 이들로부터 방사된 마이크로파를 챔버 내로 유도해서 챔버 내에서 공간 합성하는 플라즈마원이 개시되어 있다.
이렇게 복수의 마이크로파 방사 기구를 사용해서 마이크로파를 공간 합성함으로써, 각 마이크로파 방사 기구로부터 방사되는 마이크로파의 위상이나 강도를 개별로 조정할 수 있어, 플라즈마 분포의 조정을 비교적 용이하게 행할 수 있다.
일본 특허 공개 제2000-294550호 공보 국제 공개 제2008/013112호 팸플릿
그런데, 특허문헌 2의 기술과 같이, 복수의 마이크로파 방사 기구로부터 챔버 내에 마이크로파를 방사해서 마이크로파를 공간 합성하는 경우, 실제의 프로세스 조건에 있어서, 이상 방전이 발생하여, 플라즈마가 안정되지 않는 현상이 발생하는 경우가 있다. 또한, 플라즈마 착화성이 저하되어, 착화 전력이 커지는 경우도 있다.
본 발명은, 마이크로파 방사 기구를 복수 가져도, 넓은 프로세스 조건에서 이상 방전이 발생하기 어렵고, 플라즈마 착화성이 양호한 마이크로파 플라즈마원 및 이것을 사용한 플라즈마 처리 장치를 제공한다.
본 발명의 제1 관점은, 플라즈마 처리 장치의 챔버 내에 마이크로파를 방사해서 표면파 플라즈마를 형성하는 마이크로파 플라즈마원으로서, 상기 챔버의 천장벽에 설치되고, 상기 챔버 내에 마이크로파를 방사하는 복수의 마이크로파 방사 기구와, 상기 복수의 마이크로파 방사 기구의 마이크로파 방사면으로부터 상기 챔버 내에 마이크로파를 방사했을 때 고전계 영역이 되는 상기 마이크로파 방사면의 바로 아래의 고전계 형성 영역에 설치되며, 다수의 구멍을 갖고, 접지 전위로 설정된 도전성 재료로 이루어지는 다공판을 포함하며, 상기 다공판은, 상기 마이크로파 방사 기구로부터 마이크로파가 방사되었을 때, 상기 마이크로파 방사면의 바로 아래에 형성되는 표면파를, 고전계 영역이 되는 상기 마이크로파 방사면과 상기 다공판으로 둘러싸인 공간에 가두어, 상기 공간에 생성되는 플라즈마의 전력 흡수 효율을 높게 유지하는 기능을 포함하는 마이크로파 플라즈마원을 제공한다.
본 발명의 제2 관점은, 피처리 기판을 수용하는 챔버와, 상기 챔버 내에서 피처리체를 적재하는 적재대와, 상기 챔버 내에 가스를 공급하는 가스 공급 기구와, 상기 챔버 내에 마이크로파를 방사해서 표면파 플라즈마를 형성하는 마이크로파 플라즈마원을 구비하고, 상기 표면파 플라즈마에 의해 피처리 기판에 플라즈마 처리를 실시하는 플라즈마 처리 장치로서, 상기 마이크로파 플라즈마원은, 상기 챔버의 천장벽에 설치되고, 상기 챔버 내에 마이크로파를 방사하는 복수의 마이크로파 방사 기구와, 상기 복수의 마이크로파 방사 기구의 마이크로파 방사면으로부터 상기 챔버 내에 마이크로파를 방사했을 때 고전계 영역이 되는 상기 마이크로파 방사면의 바로 아래의 고전계 형성 영역에 설치되며, 다수의 구멍을 포함하고, 접지 전위로 설정된 도전성 재료로 이루어지는 다공판을 포함하며, 상기 다공판은, 상기 마이크로파 방사 기구로부터 마이크로파가 방사되었을 때, 상기 마이크로파 방사면의 바로 아래에 형성되는 표면파를, 고전계 영역이 되는 상기 마이크로파 방사면과 상기 다공판으로 둘러싸인 공간에 가두어, 상기 공간에 생성되는 플라즈마의 전력 흡수 효율을 높게 유지하는 기능을 포함하는 플라즈마 처리 장치를 제공한다.
상기 마이크로파 방사면과 상기 다공판의 상면과의 거리가 2 내지 30mm의 범위 내인 것이 바람직하다.
상기 공간의 상기 챔버 측면에 대응하는 부분에 형성된 절연성 피복을 포함하는 것이 바람직하다. 또한, 상기 다공판의 상면에 절연성 피복을 포함하는 것이 바람직하다. 이들 절연성 피복은 어느 한쪽이거나 양쪽이어도 된다.
상기 마이크로파 방사 기구는, 상기 챔버의 천장벽의 중심부에 하나, 주연부에 복수 배치되어 있는 배치 형태를 취할 수 있다.
상기 공간을, 상기 복수의 마이크로파 방사 기구 중 적어도 하나의 마이크로파 방사 기구에 대응하는 공간과, 다른 마이크로파 방사 기구에 대응하는 공간으로 구획하고, 상기 다공판과 전기적으로 도통하는 도전성 재료로 이루어지는 구획벽을 더 포함하는 것이 바람직하다. 이 경우에, 상기 마이크로파 방사 기구는, 상기 챔버의 천장벽의 중심부에 하나, 주연부에 복수 배치되어 있고, 상기 구획벽은, 상기 공간을, 상기 중심부의 마이크로파 방사 기구에 대응하는 공간과, 상기 주연부의 마이크로파 방사 기구에 대응하는 공간으로 구획하는 구성을 취할 수 있다. 또한, 상기 구획벽은, 상기 공간을, 모든 마이크로파 방사 기구에 대응하는 공간으로 구획하는 것이어도 된다. 또한, 상기 구획벽은, 전계 파형이 통과하지 않는 크기의 다수의 구멍을 갖는 다공 구조이어도 된다. 이 경우에, 상기 구멍의 구멍 직경(d)은, 마이크로파의 주파수를 f라 하면, 2.58×109/f 이하인 것이 바람직하다.
상기 플라즈마 처리 장치에 있어서, 상기 가스 공급 기구는, 상기 챔버의 천장벽에 설치된, 제1 가스를 도입하는 제1 가스 도입부와, 상기 다공판과 상기 적재대와의 사이에 플라즈마 처리에 사용하는 제2 가스를 도입하는 제2 가스 도입부를 포함하는 구성으로 할 수 있다.
본 발명에 따르면, 마이크로파 방사면의 바로 아래의 고전계 형성 영역에 접지 전위로 설정된 다공판을 설치하였기 때문에, 마이크로파 방사 기구로부터 마이크로파를 방사했을 때, 마이크로파 방사면과 다공판으로 형성되는 공간이 고전계 영역이 되고, 그 공간에 플라즈마가 생성된다. 이때, 마이크로파 방사면 바로 아래에 형성된 표면파가 고전계 영역인 마이크로파 방사면과 다공판으로 형성되는 공간에 갇힌다. 이 때문에, 그 공간 중에서는 플라즈마의 전력 흡수 효율을 높게 유지할 수 있다. 따라서, 마이크로파 방사면과 다공판으로 형성되는 공간 중에서 안정된 방전이 발생하기 쉬워져, 이상 방전을 발생하기 어렵게 할 수 있다. 또한, 이와 같이 마이크로파 방사면과 다공판으로 형성되는 공간에 표면파를 가둬서 플라즈마의 전력 흡수 효율을 높게 유지함으로써, 플라즈마의 착화 전력을 작게 해서 플라즈마의 착화성을 양호하게 할 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 나타내는 블록도이다.
도 3은 도 1의 플라즈마 처리 장치에 사용되는 마이크로파 플라즈마원에 있어서의 마이크로파 방사 기구의 배치를 모식적으로 도시하는 평면도이다.
도 4는 도 1의 플라즈마 처리 장치의 마이크로파 플라즈마원에 있어서의 마이크로파 방사판 및 마이크로파 방사 기구를 도시하는 단면도이다.
도 5는 전자계 시뮬레이션에 의해 구한 마이크로파 방사면으로부터의 거리(Z)와 전계 강도와의 관계를 도시하는 도면이다.
도 6은 마이크로파 방사판의 외주위벽 내측 및 다공판의 상면에 절연성 피복을 형성한 상태를 도시하는 도면이다.
도 7은 마이크로파 방사 기구를 도시하는 단면도이다.
도 8은 마이크로파 방사 기구의 급전 기구를 도시하는 도 7의 AA'선에 의한 횡단면도이다.
도 9는 마이크로파 방사 기구에 있어서의 슬래그와 미끄럼 부재를 도시하는 도 7의 BB'선에 의한 횡단면도이다.
도 10은 다공판을 사용한 도 1에 도시하는 플라즈마 처리 장치와, 다공판이 없는 플라즈마 처리 장치를 사용하여, 마이크로파 파워와 챔버 내의 압력을 변화시켜서 표면파 플라즈마를 형성한 경우의 이상 방전의 유무를 도시한 도면이며, (a)는 다공판이 있는 경우, (b)는 다공판이 없는 경우이다.
도 11은 다공판을 사용한 도 1에 도시하는 플라즈마 처리 장치와, 다공판이 없는 플라즈마 처리 장치를 사용하여, 챔버 내 압력을 변화시켰을 때의 착화 전력(플라즈마가 착화하는 전력)을 도시하는 도면이다.
도 12는 본 발명의 제2 실시 형태에 따른 플라즈마 처리 장치의 개략 구성을 도시하는 단면도이다.
도 13은 도 12의 플라즈마 처리 장치의 CC'선에 의한 단면도이다.
도 14는 구획벽을 설치하지 않은 도 1의 플라즈마 처리 장치 및 구획벽을 설치한 도 12의 플라즈마 처리 장치를 사용하여, 중심의 마이크로파 방사 기구만을 파워 온으로 한 경우, 및 주연의 6개의 마이크로파 방사 기구만을 파워 온으로 한 경우에 대해서 챔버 직경 방향의 전자 밀도 분포를 평가한 결과를 도시하는 도면이다.
도 15는 구획벽의 다른 배치를 도시하는 단면도이다.
도 16은 마이크로파 방사 기구의 다른 배치 예를 도시하는 도면이다.
도 17은 도 16의 마이크로파 방사 기구에 구획벽을 설치한 예를 나타내는 도이다.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시 형태에 대해서 상세하게 설명한다.
<제1 실시 형태>
우선 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 블록도, 도 3은 도 1의 플라즈마 처리 장치에 사용되는 마이크로파 플라즈마원에 있어서의 마이크로파 방사 기구의 배치를 모식적으로 도시하는 평면도이다.
플라즈마 처리 장치(100)는, 마이크로파에 의해 표면파 플라즈마를 형성해서 웨이퍼에 대하여 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 있어, 선택된 프로세스 레시피에 따라서 소정의 제어를 행하는 것이 가능하다.
챔버(1) 내에는 피처리체인 반도체 웨이퍼(W)(이하, 웨이퍼(W)라 기술함)를 수평으로 지지하기 위한 서셉터(적재대)(11)가, 챔버(1)의 저부 중앙에 절연 부재(12a)를 개재하여 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 하고 있지 않지만, 서셉터(11)에는, 웨이퍼(W)를 정전 흡착하기 위한 정전 척, 온도 제어 기구, 웨이퍼(W)의 이면에 열 전달용의 가스를 공급하는 가스 유로, 및 웨이퍼(W)를 반송하기 위하여 승강하는 승강 핀 등이 설치되어 있다. 또한, 서셉터(11)에는, 정합기(13)를 통하여 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 반출입구(17)와, 이 반출입구(17)를 개폐하는 게이트 밸브(18)가 설치되어 있다.
마이크로파 플라즈마원(2)은, 복수 경로로 분배하여 마이크로파를 출력하는 마이크로파 출력부(30)와, 마이크로파 출력부(30)로부터 출력된 마이크로파를 전송해서 마이크로파를 챔버(1) 내에 방사하는 마이크로파 전송·방사부(40)와, 챔버(1)의 천장벽을 구성함과 함께 마이크로파 방사면을 갖는 마이크로파 방사판(50)과, 마이크로파 방사판(50)의 바로 아래 위치에, 마이크로파 방사판(50)과 대향하도록 설치된 다공판(151)을 갖는다. 다공판(151)은 도전성 재료로 이루어지고, 다수의 구멍(151a)을 갖고 있으며, 챔버(1)의 측벽에 지지됨과 함께 접지되어 있다. 마이크로파 방사면이 되는 마이크로파 방사판(50)의 하면과 다공판(151)의 상면과의 사이에는 후술하는 바와 같은 미소한 공간(152)이 형성되어 있다.
마이크로파 방사판(50)에는, 샤워 구조의 제1 가스 도입부(21)가 설치되어 있다. 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 공급되어, 제1 가스 도입부(21)로부터 제1 가스가 챔버(1) 내에 도입되도록 되어 있다.
또한, 챔버(1) 내의 다공판(151)의 하방이고 또한 서셉터(11)의 상방 위치에는 원환 형상을 이루는 제2 가스 도입부(23)가 설치되어 있다. 이 제2 가스 도입부(23)에는, 제2 가스 공급원(24)으로부터, 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. 제1 가스 공급원(22) 및 제2 가스 공급원(24)으로부터 공급되는 가스로서는, 플라즈마 처리의 내용에 따른 다양한 가스를 사용할 수 있다.
이어서, 마이크로파 플라즈마원(2)의 상세한 구조에 대해서 설명한다.
마이크로파 플라즈마원(2)은, 상술한 바와 같이, 마이크로파 출력부(30)와, 마이크로파 전송·방사부(40)와, 마이크로파 방사판(50)과, 다공판(151)을 갖는다.
도 2에 도시한 바와 같이, 마이크로파 출력부(30)는, 마이크로파 전원(31)과, 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, 700MHz 내지 3GHz의 범위의 다양한 주파수를 사용할 수 있다.
마이크로파 전송·방사부(40)는, 분배기(34)에 의해 분배된 마이크로파를 주로 증폭하는 복수의 앰프부(42)와, 앰프부(42)에 대응해서 설치된 복수의 마이크로파 방사 기구(43)를 갖는다. 도 3에 도시한 바와 같이, 마이크로파 전송·방사부(40)는, 앰프부(42)와 마이크로파 방사 기구(43)를 7개씩 갖고 있다. 7개의 마이크로파 도입 기구(43)는, 주연부에 원주 형상으로 6개 및 그들의 중심부에 1개, 원형을 이루는 마이크로파 방사판(50)에 설치되어 있다.
마이크로파 전송·방사부(40)의 앰프부(42)는, 도 2에 도시한 바와 같이, 분배기(34)로 분배된 마이크로파를 증폭해서 각 마이크로파 방사 기구(43)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 방사 기구마다 위상을 조정함으로써 지향성을 제어하여 플라즈마 분포를 변화시킬 수 있다. 또한, 인접하는 마이크로파 방사 기구에 있어서 90°씩 위상을 어긋나게 하여 원편파를 얻을 수 있다. 또한, 위상기(46)는, 앰프 내의 부품간의 지연 특성을 조정하여, 마이크로파 방사 기구 내에서의 공간 합성을 목적으로 사용할 수 있다. 단, 이러한 방사 특성의 변조나 앰프 내의 부품간의 지연 특성의 조정이 불필요한 경우에는, 위상기(46)는 설치할 필요가 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, 고 Q 공진 회로를 갖는 구성으로 할 수 있다.
아이솔레이터(49)는, 후술하는 슬롯 안테나에서 반사하여 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.
도 4에 도시한 바와 같이, 마이크로파 방사 기구(43)는, 튜너(60)를 갖고 있다. 튜너(60)는, 앰프부(42)로부터 급전된 마이크로파를 전송함과 함께 임피던스를 정합하는 기능을 갖고 있다. 튜너(60)는, 마이크로파 방사판(50)의 상면에 설치되어 있다.
마이크로파 방사판(50)은, 금속제의 본체부(120)를 갖고 있으며, 그 상면 및 하면에 각각, 마이크로파 방사 기구(43)의 일부를 구성하는 지파재(121)와 마이크로파 투과 부재(122)가 끼워 넣어져 있다. 지파재(121) 및 마이크로파 투과 부재(122)는 유전체로 이루어지고, 원판 형상을 이루고 있고, 각 튜너(60)에 대응하는 위치에 설치되어 있다. 본체부(120)의 지파재(121)와 마이크로파 투과 부재(122)와의 사이의 부분에는 슬롯(123)이 형성되어 있고, 마이크로파 방사 기구(43)의 일부인 평면 형상의 슬롯 안테나(124)를 구성하고 있다.
지파재(121)는, 진공보다 큰 유전율을 갖고 있으며, 예를 들어, 석영, 세라믹스, 폴리테트라플루오로에틸렌 등의 불소계 수지나 폴리이미드계 수지에 의해 구성되어 있고, 진공 중에서는 마이크로파의 파장이 길어지므로, 마이크로파의 파장을 짧게 하여 안테나를 작게 하는 기능을 갖고 있다.
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.
슬롯(123)은, 도 4에 도시한 바와 같이, 본체부(120) 내에서 지파재(121)와 마이크로파 투과 부재(122)의 사이의 부분에서 지파재(121)의 저면으로부터 마이크로파 투과 부재(122)의 상면까지 관통해서 형성되어 있고, 원하는 마이크로파 방사 특성이 되는 형상, 예를 들어 원호 형상이나 원주 형상을 이루고 있다. 본체부(120)와 마이크로파 투과 부재(122)와의 사이의 슬롯(123)의 주위 부분은, 시일 링(도시하지 않음)에 의해 시일되어 있어, 마이크로파 투과 부재(122)가 슬롯(123)을 덮어서 밀폐하여, 진공 시일로서 기능한다.
슬롯(123) 내는 진공이어도 되지만, 유전체가 충전되어 있는 것이 바람직하다. 슬롯(123)에 유전체를 충전함으로써, 마이크로파의 실효 파장이 짧아져, 슬롯의 두께를 얇게 할 수 있다. 슬롯(123)에 충전하는 유전체로서는, 예를 들어, 석영, 세라믹스, 폴리테트라플루오로에틸렌 등의 불소계 수지나 폴리이미드계 수지를 사용할 수 있다.
마이크로파 방사판(50)의 본체부(120)에는, 상술한 제1 가스 도입부(21)가 설치되어 있다. 제1 가스 도입부(21)는, 중심의 마이크로파 방사 기구(43)의 주위에 환상으로 형성된 내측 가스 확산 공간(141)과, 내측 가스 확산 공간(141)의 외측이고 또한 주변의 마이크로파 방사 기구(43)의 배치 영역의 내측에 환상으로 형성된 중간 가스 확산 공간(142)과, 주변의 마이크로파 방사 기구(43)의 배치 영역의 외주 부분에 환상으로 형성된 외측 가스 확산 공간(143)이 동심원 형상으로 형성되어 있다. 내측 가스 확산 공간(141)의 상면에는, 본체부(120)의 상면으로부터 연결되는 가스 도입 구멍(144)이 형성되어 있고, 내측 가스 확산 공간(141)의 하면에는, 본체부(120)의 하면에 이르는 복수의 가스 토출 구멍(145)이 형성되어 있다. 한편, 중간 가스 확산 공간(142)의 상면에는, 본체부(120)의 상면으로부터 연결되는 가스 도입 구멍(146)이 형성되어 있고, 중간 가스 확산 공간(142)의 하면에는, 본체부(120)의 하면에 이르는 복수의 가스 토출 구멍(147)이 형성되어 있다. 또한, 외측 가스 확산 공간(143)의 상면에는, 본체부(120)의 상면으로부터 연결되는 가스 도입 구멍(148)이 형성되어 있고, 외측 가스 확산 공간(143)의 하면에는, 본체부(120)의 하면에 이르는 복수의 가스 토출 구멍(149)이 형성되어 있다. 가스 도입 구멍(144, 146 및 148)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.
튜너(60)를 TEM파로서 전송된 마이크로파는, 마이크로파 방사판(50)의 내부에 도입되어, 지파재(121)를 투과한 후, 슬롯 안테나(124)의 슬롯(123)에 전송되어서 TE파로 모드 변환되고, 또한 마이크로파 투과 부재(122)를 투과해서 챔버(1) 내에 방사되어, 마이크로파 투과 부재(122)의 표면에 표면파가 형성된다. 이 표면파에 의해 제1 가스 도입부(21)로부터 챔버(1) 내에 도입된 제1 가스가 플라즈마화되어, 챔버(1)의 공간에 표면파 플라즈마가 생성된다. 따라서, 마이크로파 투과 부재(122)의 하면이 마이크로파 방사면이 된다. 마이크로파 방사판(50)의 본체부(120)의 하면은, 마이크로파 투과 부재(122)의 하면과 동일 평면을 형성하고 있고, 마이크로파 방사판(50)의 하면이 마이크로파 방사면을 갖고 있다.
이때, 마이크로파 방사면으로부터 마이크로파가 방사되었을 때의 챔버(1) 내의 전계 강도는, 마이크로파 방사면인 마이크로파 투과 부재(122)의 하면 위치에서 가장 크고, 마이크로파 방사면으로부터 멀어질수록 급격하게 작아진다. 즉, 마이크로파 방사면을 포함하는 마이크로파 방사판(50)의 바로 아래 부분이, 마이크로파가 방사되었을 때 고전계 영역이 형성되는 고전계 형성 영역이 된다.
마이크로파 방사판(50)의 바로 아래에 설치된 다공판(151)은, 이러한 고전계 형성 영역에 배치되어 있다. 마이크로파 방사판(50)은, 마이크로파 방사면을 포함하는 하면의 주위에 하방으로 연장되는 챔버(1)의 측벽의 일부를 구성하는 외주벽을 갖고 있으며, 다공판(151)은, 마이크로파 방사판(50)의 외주벽과 챔버(1)의 측벽부와의 사이에 설치되어 있다. 그리고, 마이크로파 방사판(50)과 다공판(151)에 의해 공간(152)이 형성된다. 마이크로파 방사 기구(43)로부터 마이크로파가 방사되었을 때 공간(152)이 고전계 영역이 되어, 공간(152)에 플라즈마가 형성된다. 즉, 공간(152)은 플라즈마 생성 공간이 된다.
다공판(151)은, 접지 전위로 설정되어 있고, 마이크로파 방사 기구(43)의 마이크로파 방사면으로부터 마이크로파가 방사되었을 때 마이크로파 방사면의 바로 아래에 형성되는 표면파를 고전계 영역이 되는 공간(152)에 가둬서 플라즈마의 전력 흡수 효율을 높게 유지하는 기능을 갖고 있다. 이렇게 표면파를 공간(152)에 가둬서 플라즈마의 전력 흡수 효율을 높게 유지함으로써, 그 영역에서 안정된 방전이 발생하기 쉬워져, 이상 방전을 발생하기 어렵게 할 수 있음과 함께, 플라즈마의 착화성을 양호하게 할 수 있다. 다공판(151)을 구성하는 도전성 재료로서는, 알루미늄이나 구리 등의 전기 전도성이 양호한 금속을 적절하게 사용할 수 있다. 또한, 다공판(151)의 두께는 10 내지 30mm 정도가 바람직하고, 다공판(151)의 구멍(151a)의 구멍 직경은 10 내지 20mm 정도가 바람직하다.
다공판(151)의 상기 기능을 유효하게 발휘하기 위해서는, 마이크로파 방사면에서부터 다공판(151)의 상면까지의 거리가 2 내지 30mm가 바람직하고, 2 내지 20mm가 보다 바람직하다. 도 5는, 전자계 시뮬레이션에 의해 구한 마이크로파 방사면으로부터의 거리(Z)와 전계 강도와의 관계를 도시하는 도면인데, 거리(Z)가 30mm 이하, 바람직하게는 20mm 이하의 영역에서 고전계 강도가 얻어지는 것을 알 수 있다. 한편, 마이크로파 방사면에서부터 다공판(151)의 상면까지의 거리가 너무 가까워도 상기 효과가 유효하게 발휘되지 않을 우려가 있으며, 그 점에서 마이크로파 방사면에서부터 다공판(151)의 상면까지의 거리의 바람직한 범위를 2mm 이상으로 하였다.
플라즈마 생성 공간이 되는 공간(152)은, 마이크로파 방사면을 포함하는 마이크로파 방사판(50)과 다공판(151)의 상면으로 둘러싸여 있는데, 플라즈마 생성 공간의 측면 및 저면의 금속 부분에 의해 플라즈마 중의 라디칼이 소실될 가능성이 있다. 이러한 것을 회피하기 위해서는, 도 6에 도시한 바와 같이, 플라즈마 생성 공간인 공간(152)의 챔버 측면에 대응하는 마이크로파 방사판(50)의 외주벽 내측에 절연성 피복(153)을 형성하는 것, 및 플라즈마 생성 공간의 하면을 구성하는 다공판(151)의 상면에 절연성 피복(154)을 형성하는 것이 바람직하다. 절연성 피복(153 및 154)은, 용사 등에 의해 형성된 유전체 피막이어도 되고, 석영판 등의 판상의 것이어도 된다. 또한, 도 6에 도시하는 바와 같이 절연성 피복(153 및 154)을 모두 형성해도 되지만, 이들 중 어느 한쪽만이어도 된다.
이어서, 마이크로파 방사 기구의 상세한 구성에 대해서 설명한다.
도 7은 마이크로파 방사 기구(43)를 도시하는 단면도, 도 8은 마이크로파 방사 기구(43)의 급전 기구를 도시하는 도 7의 AA'선에 의한 횡단면도, 도 9는 마이크로파 방사 기구(43)에 있어서의 슬래그와 미끄럼 부재를 도시하는 도 7의 BB'선에 의한 횡단면도이다.
상술한 바와 같이, 마이크로파 방사 기구(43)는 튜너(60)를 갖고 있다. 튜너(60)는, 통 형상의 외측 도체(52) 및 그 중심에 설치된 통 형상의 내측 도체(53)가 동축 형상으로 배치되어 이루어지는 마이크로파 전송로(44)와, 외측 도체(52)와 내측 도체(53)의 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 슬롯 안테나부(124)에 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, 앰프부(42)로부터의 마이크로파(전자파)를 급전하는 급전 기구(54)가 설치되어 있다. 급전 기구(54)는, 마이크로파 전송로(44)(외측 도체(52))의 측면에 설치된 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 동축선로(56)가 접속되어 있다. 그리고, 동축선로(56)의 내측 도체(56a)의 선단에는, 외측 도체(52)의 내부를 향해 수평으로 연장되는 급전 안테나(90)가 접속되어 있다.
급전 안테나(90)는 예를 들어, 알루미늄 등의 금속판을 깎아 내어 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. 이때, 급전 안테나(90)로부터 반사판(58)까지의 거리를 최적화하고, 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 동축선로(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, 내측 도체(53)의 외측을 따라서 연장되어, 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 내측 도체(53)에 접촉하고 있다.
급전 안테나(90)로부터 마이크로파(전자파)가 방사됨으로써, 외측 도체(52)와 내측 도체(53)의 사이의 공간에 마이크로파 전력이 급전된다. 그리고, 급전 기구(54)에 공급된 마이크로파 전력이 슬롯 안테나(124)를 향해서 전파한다.
내측 도체(53)의 내부 공간에는, 그 길이 방향을 따라서 예를 들어 사다리꼴 나사가 형성된 나봉(螺棒)으로 이루어지는 슬래그 이동용의 2개의 슬래그 이동축(64a, 64b)이 설치되어 있다.
도 9에 도시한 바와 같이, 제1 슬래그(61a)는 유전체로 이루어지는 원 환상을 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, 관통 구멍(65b)에는 슬래그 이동축(64a)이 삽입 관통되도록 되어 있다. 이에 의해 슬래그 이동축(64a)을 회전시킴으로써 제1 슬래그(61a)가 승강 이동하고, 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 설치되어 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 있으며, 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 관통하여 슬래그 구동부(70)에 연장되어 있다. 슬래그 이동축(64a, 64b)과 반사판(58)의 사이에는 베어링(도시하지 않음)이 설치되어 있다.
슬래그 구동부(70)는, 하우징(71)을 갖고, 슬래그 이동축(64a) 및 (64b)는 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 있고, 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 통해 슬래그 이동축(64a)이 회전되고, 모터(73b)에 의해 기어(74b) 및 (72b)를 통해 슬래그 이동축(64b)이 회전된다. 또한, 모터(73a, 73b)로서는 예를 들어 스테핑 모터가 사용된다.
또한, 슬래그 이동축(64b)은, 슬래그 이동축(64a)보다 길어, 보다 상방에 달하고 있으며, 따라서, 기어(72a) 및 (72b)의 위치가 상하로 오프셋하고 있고, 모터(73a) 및 (73b)도 상하로 오프셋하고 있다. 이 때문에, 모터 및 기어 등의 동력 전달 기구의 스페이스를 작게 할 수 있다. 모터(73a 및 73b) 상에는, 이들의 출력축에 직결되도록, 각각 슬래그(61a 및 61b)의 위치를 검출하기 위한 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 입력단의 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, 종단의 저항이 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 안테나부(124)에 접속되어 있다. 지파재(121)는, 그 두께에 의해 마이크로파의 위상을 조정할 수 있고, 슬롯 안테나부(124)의 상면(마이크로파 방사면)이 정재파의 「배 부분」이 되도록 그 두께가 조정된다. 이에 의해, 반사가 최소이고, 마이크로파의 방사 에너지가 최대가 되도록 할 수 있다.
본 실시 형태에서, 메인 앰프(48)와, 튜너(60)와, 슬롯 안테나부(124)는 근접 배치되어 있다. 그리고, 튜너(60)와 슬롯 안테나부(124)는, 1/2 파장 내에 존재하는 집중 상수 회로를 구성하고 있고, 또한 슬롯 안테나부(124) 및 지파재(121)는, 합성 저항이 50Ω으로 설정되어 있으므로, 튜너(60)는 플라즈마 부하에 대하여 직접 튜닝하고 있는 것으로 되어, 효율적으로 플라즈마에 에너지를 전달할 수 있다.
(플라즈마 처리 장치의 동작)
이어서, 이상과 같이 구성되는 플라즈마 처리 장치(100)에 있어서의 동작에 대해서 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 방사판(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(144, 146 및 148)을 거쳐서 제1 가스 도입부(21)의 내측 가스 확산 공간(141), 중간 가스 확산 공간(142) 및 외측 가스 확산 공간(143)에 공급하고, 가스 토출 구멍(145, 147 및 149)으로부터 챔버(1)에 토출한다.
한편, 마이크로파 플라즈마원(2)의 마이크로파 출력부(30)로부터 출력된 마이크로파는, 분배기(34)에서 분배된 후, 마이크로파 전송·방사부(40)의 복수의 앰프부(42)에서 증폭되어, 각 마이크로파 방사 기구(43)에 공급된다. 구체적으로는, 각 앰프부(42)로부터의 마이크로파는, 급전 기구(54)를 통해서 튜너(60) 내에 급전되어, 튜너(60)를 TEM파로서 전송되고, 전송되는 과정에서 임피던스 정합이 이루어진다. 그리고, 튜너(60)를 거쳐 전송된 마이크로파는, 마이크로파 방사판(50)의 내부에 도입되어, 지파재(121)를 투과한 후, 슬롯 안테나(124)의 슬롯(123)에 전송되어서 TE파로 모드 변환되고, 또한 마이크로파 투과 부재(122)를 투과해서 마이크로파 투과 부재(122)의 하면의 마이크로파 방사면으로부터 챔버(1) 내에 방사되어, 마이크로파 투과 부재(122)의 표면에 표면파가 형성된다.
이 표면파에 의해 제1 가스 도입부(21)로부터 챔버(1) 내에 도입된 제1 가스가 플라즈마화되어, 챔버(1)의 공간에 표면파 플라즈마가 생성된다. 이때, 마이크로파 방사면으로부터 마이크로파가 방사되었을 때의 챔버(1) 내의 전계 강도는, 마이크로파 방사면인 마이크로파 투과 부재(122)의 하면 위치에서 가장 커서, 마이크로파 방사면의 바로 아래 부분에 고전계 영역이 형성된다.
여기서, 다공판(151)을 설치하지 않고, 복수의 마이크로파 방사 기구로부터 마이크로파를 방사해서 챔버(1) 내에 고전계 영역이 형성되면, 챔버(1) 내의 측벽 등에서 이상 방전이 발생하여, 플라즈마가 불안정해지는 경우가 있고, 또한 플라즈마 착화성이 불충분해지는 경우도 있다.
이에 반해, 본 실시 형태에서는, 챔버(1) 내에서, 마이크로파 방사면을 갖는 마이크로파 방사판(50)의 바로 아래의 고전계 형성 영역에 접지 전위의 다공판(151)을 설치하였기 때문에, 마이크로파 방사 기구(43)로부터 마이크로파를 방사했을 때, 마이크로파 방사판(50)과 다공판(151)으로 형성되는 공간(152)이 고전계 영역이 되어, 공간(152)에 플라즈마가 생성된다. 이때, 마이크로파 방사면 바로 아래에 형성된 표면파가 고전계 영역인 공간(152)에 갇힌다. 이 때문에, 공간(152) 중에서는 플라즈마의 전력 흡수 효율을 높게 유지할 수 있다. 따라서, 공간(152) 중에서 안정된 방전이 발생하기 쉬워져, 이상 방전을 발생하기 어렵게 할 수 있다. 또한, 이와 같이 공간(152)에 표면파를 가둬서 플라즈마의 전력 흡수 효율을 높게 유지함으로써, 플라즈마의 착화 전력을 작게 해서 플라즈마의 착화성을 양호하게 할 수 있다.
이것을 검증한 결과를 도 10 및 도 11에 기초하여 설명한다.
도 10은, 다공판을 사용한 도 1에 도시하는 플라즈마 처리 장치와, 다공판이 없는 플라즈마 처리 장치를 사용하여, 마이크로파 파워와 챔버 내의 압력을 변화시켜서 표면파 플라즈마를 형성한 경우의 이상 방전의 유무를 나타낸 것이며, (a)는 다공판이 있는 경우, (b)는 다공판이 없는 경우이다. 마이크로파 파워는, 마이크로파 방사 기구 1개당의 파워를 400W로 하고, 마이크로파를 출력하는 마이크로파 방사 기구의 수를 변화시킴으로써 조절하였다. 또한, 도 10 중의 ○는 이상 방전이 발생하지 않은 경우, ×는 이상 방전이 발생한 경우이다.
도 10에 도시한 바와 같이, 다공판이 없는 경우에는, 저압측 및 고파워측에서 이상 방전이 발생하고 있는 것에 반해, 다공판을 설치함으로써, 어느 조건에서도 이상 방전이 발생하지 않아, 안정된 플라즈마가 생성되는 것을 알 수 있다.
또한, 도 11은, 다공판을 사용한 도 1에 도시하는 플라즈마 처리 장치와, 다공판이 없는 플라즈마 처리 장치를 사용하여, 챔버 내 압력을 변화시켰을 때의 착화 전력(플라즈마가 착화하는 전력)을 도시하는 도면이다.
도 11에 도시한 바와 같이, 다공판을 설치함으로써 착화 전력을 작게 할 수 있고, 그 효과는 특히 저압측에서 큰 것을 알 수 있다.
이렇게 고전계 영역인 공간(152)에서 생성된 표면파 플라즈마는, 다공판(151)의 구멍(151a)을 통과해서 다공판(151)의 하방의 영역에 이른다. 다공판(151)의 하방의 영역에는, 제2 가스 공급원(24)으로부터 최대한 분해하지 않고 공급하고자 하는 처리 가스 등의 제2 가스가 제2 가스 도입부(23)를 통해서 공급된다. 제2 가스 도입부(23)로부터 토출된 제2 가스는, 공간(152)으로부터 다공판(151)을 통과해 온 제1 가스의 플라즈마에 의해 여기된다. 이때, 제2 가스 토출 위치는 마이크로파 방사면으로부터 이격되어 있어, 고전계 영역인 공간(152)보다도 전계 강도가 낮은 위치이기 때문에, 제2 가스는 불필요한 분해가 억제된 상태에서 여기된다. 그리고, 여기된 제2 가스에 의해 웨이퍼(W)에 소정의 플라즈마 처리, 예를 들어 성막 처리나 에칭 처리가 실시된다.
<제2 실시 형태>
다음으로 제2 실시 형태에 대해서 설명한다.
도 12는 본 발명의 제2 실시 형태에 따른 플라즈마 처리 장치의 개략 구성을 도시하는 단면도이며, 도 13은 도 12의 플라즈마 처리 장치의 CC'선에 의한 단면도이다.
제2 실시 형태에서는, 고전계 영역에 형성된 플라즈마 생성 공간이 되는 공간(152)에 있어서, 중심의 마이크로파 방사 기구(43)에 대응하는 공간과 주변의 마이크로파 방사 기구(43)에 대응하는 공간을 구획하는 구획벽(160)을 갖는 점만이 제1 실시 형태와 상이하며, 다른 구성은 제1 실시 형태와 마찬가지이다. 따라서, 제1 실시 형태와 동일한 것에 대해서는 동일한 부호를 부여하고 설명을 생략한다.
제1 실시 형태에서는, 다공판(151)을 통해서 웨이퍼(W)에 플라즈마를 공급하기 때문에, 복수의 마이크로파 방사 기구(43)에 의한 플라즈마 밀도의 제어(예를 들어 중심의 플라즈마 밀도를 낮게, 주연의 플라즈마 밀도를 높게 하는 제어)가 어렵다. 이에 반해, 본 실시 형태에서는, 공간(152)을 중심의 마이크로파 방사 기구(43)에 대응하는 공간과 주연의 6개의 마이크로파 방사 기구(43)에 대응하는 공간으로 구획하는 도전성 재료로 이루어지는 구획벽(160)을 다공판(151)과 전기적으로 도통한 상태로 설치한다. 이에 의해, 중심의 마이크로파 방사 기구(43)와, 주연의 6개의 마이크로파 방사 기구(43)에서 별개로 전계를 형성해서 전계 강도를 제어할 수 있으므로, 중심부와 주연부에서 플라즈마 밀도의 제어성을 양호하게 할 수 있다. 또한, 구획벽(160)을 구성하는 도전성 재료로서는, 알루미늄이나 구리 등의 전기 전도성이 양호한 금속을 적절하게 사용할 수 있다.
이어서, 이상의 것을 검증한 결과를 도 14에 도시한다.
도 14는, 구획벽을 설치하지 않은 도 1의 플라즈마 처리 장치 및 구획벽을 설치한 도 12의 플라즈마 처리 장치를 사용하여, 중심의 마이크로파 방사 기구만을 파워 온으로 한 경우, 및 주연의 6개의 마이크로파 방사 기구만을 파워 온으로 한 경우에 대해서 챔버 직경 방향의 전자 밀도 분포를 평가한 결과를 도시하는 도면이다.
도 14의 (a)에 도시한 바와 같이, 구획벽을 설치하지 않은 경우에는, 중심의 마이크로파 방사 기구만을 파워 온으로 했을 때는, 챔버 중심부만 전자 밀도가 높게 되어 있지만, 주연의 마이크로파 방사 기구만을 파워 온으로 했을 때는, 플라즈마를 생성시키고 싶지 않은 중심부의 전자 밀도가 주연부와 동등하게 되어 있어, 전자 밀도를 충분히 제어할 수 없었음을 알 수 있다. 이에 반해, 도 14의 (b)에 도시한 바와 같이, 구획벽을 설치한 경우에는, 중심의 마이크로파 방사 기구만을 파워 온으로 했을 때, 및 주연의 마이크로파 방사 기구만을 파워 온으로 했을 때 모두 전자 밀도를 제어할 수 있었음을 알 수 있다.
구획벽(160)은, 메쉬 구조나 펀칭 구조 등의 다수의 구멍을 형성한 다공 구조이어도 된다. 구획벽(160)을 다공 구조로 함으로써, 플라즈마 생성 가스 등의 제1 가스를 구획벽(160)으로 구획된 일방측의 공간으로부터 타방측의 공간에 공급할 수 있고, 제1 가스가 어느 한쪽의 공간밖에 공급할 수 없는 제약이 있는 경우에도 공간(152)의 전체에서 플라즈마를 생성할 수 있다는 장점이 있다.
여기서, 구획벽(160)을 다공 구조로 한 경우에, 상술한 전계 제어 기능을 유효하게 발휘하기 위해서는, 구획벽(160)에 형성되는 구멍의 구멍 직경을 전계 파형이 통과하지 않는 크기로 하는 것이 바람직하다. 예를 들어 마이크로파의 주파수를 860MHz로 한 경우, 파장(λ)은 349mm이며, 구획벽(160) 부근의 전계 파형의 1 파장의 길이(λ')는 약 24mm이다. 이 전계 파형이 구획벽(160)의 구멍을 통과하지 않고 갇힌 상태가 되기 위해서는, 구멍 직경이 λ'/8 이하인 것이 필요하기 때문에, 마이크로파의 주파수가 860MHz인 경우의 투과하지 않는 구멍 직경은, 24/8=3mm 이하가 된다. 마이크로파의 주파수(f)와 전계 파형의 파장(λ')은 반비례의 관계(λ'∝1/f)이기 때문에, 주파수를 변수로 한 경우의 구획벽(160)의 구멍의 직경(d)은, 1/860MHz:3mm=1/f:d의 관계가 되고, 주파수(f)를 변수로 했을 때의 d는, 이하의 수학식 1과 같은 일반식으로 나타낼 수 있다.
Figure pat00001
따라서, 구획벽(160)을 다공 구조로 할 때의 구멍 직경(d)은 2.58×109/f 이하인 것이 바람직하다.
또한, 상기 예에서는, 공간(152) 중, 중심의 마이크로파 방사 기구에 대응하는 공간만을 주연의 6개의 마이크로파 방사 기구에 대응하는 공간으로부터 구획하도록 했지만, 도 15에 도시한 바와 같이, 모든 마이크로파 방사 기구(43)에 대응하는 공간을 구획벽(160)으로 구획하도록 해도 된다.
<기타 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.
예를 들어, 상기 실시 형태에서는, 챔버의 중심에 대응하는 부분에 1개, 주연에 대응하는 부분에 6개의 마이크로파 방사 기구를 설치한 예를 나타냈지만, 마이크로파 방사 기구의 수나 배치는 한정되지 않고, 마이크로파 방사 기구를 복수개 설치하는 경우라면 본 발명을 적용할 수 있다. 마이크로파 방사 기구의 다른 배치 예로서는, 도 16의 (a), (b)에 도시한 바와 같은 것을 들 수 있다. 또한, 마이크로파 방사 기구가 도 16의 (a), (b)와 같이 배치되는 경우에는, 구획벽(160)을 도 17의 (a), (b)에 도시하는 바와 같이 배치할 수 있다.
또한, 마이크로파 출력부나 마이크로파 전송·방사부의 구성 등은, 상기 실시 형태에 한정되는 것은 아니며, 예를 들어 슬롯 안테나부로부터 방사되는 마이크로파의 지향성 제어를 행하거나 원편파로 하거나 할 필요가 없는 경우에는, 위상기는 불필요하다. 또한, 마이크로파 방사 기구의 구성도 상기 실시 형태에 한정되는 것은 아니다.
또한, 상기 실시 형태에서는, 플라즈마 처리 장치로서 성막 장치 및 에칭 장치를 예시했지만, 이에 한정되지 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 24; 제2 가스 공급원
30; 마이크로파 출력부 31; 마이크로파 전원
32; 마이크로파 발진기 40; 마이크로파 전송·방사부
42; 앰프부 43; 마이크로파 방사 기구
44; 마이크로파 전송로 50; 마이크로파 방사판
52; 외측 도체 53; 내측 도체
54; 급전 기구 55; 마이크로파 전력 도입 포트
60; 튜너 100; 플라즈마 처리 장치
121; 지파재 122; 마이크로파 투과 부재
123; 슬롯 124; 슬롯 안테나부
151; 다공판 151a; 구멍
152; 공간 160; 구획벽
W; 반도체 웨이퍼

Claims (21)

  1. 플라즈마 처리 장치의 챔버 내에 마이크로파를 방사해서 표면파 플라즈마를 형성하는 마이크로파 플라즈마원으로서,
    상기 챔버의 천장벽에 설치되고, 상기 챔버 내에 마이크로파를 방사하는 복수의 마이크로파 방사 기구와,
    상기 복수의 마이크로파 방사 기구의 마이크로파 방사면으로부터 상기 챔버 내에 마이크로파를 방사했을 때 고전계 영역이 되는 상기 마이크로파 방사면의 바로 아래의 고전계 형성 영역에 설치되며, 다수의 구멍을 갖고, 접지 전위로 설정된 도전성 재료로 이루어지는 다공판
    을 포함하고,
    상기 다공판은, 상기 마이크로파 방사 기구로부터 마이크로파가 방사되었을 때, 상기 마이크로파 방사면의 바로 아래에 형성되는 표면파를, 고전계 영역이 되는 상기 마이크로파 방사면과 상기 다공판에 의해 둘러싸인 공간에 가두어, 상기 공간에 생성되는 플라즈마의 전력 흡수 효율을 높게 유지하는 기능을 포함하는 마이크로파 플라즈마원.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 마이크로파 방사면과 상기 다공판의 상면과의 거리가 2 내지 30mm의 범위 내인, 마이크로파 플라즈마원.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 공간의 상기 챔버 측면에 대응하는 부분에 형성된 절연성 피복을 포함하는, 마이크로파 플라즈마원.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 다공판의 상면에 절연성 피복을 포함하는, 마이크로파 플라즈마원.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 마이크로파 방사 기구는, 상기 챔버의 천장벽의 중심부에 하나, 주연부에 복수 배치되어 있는, 마이크로파 플라즈마원.
  6. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 공간을, 상기 복수의 마이크로파 방사 기구 중 적어도 하나의 마이크로파 방사 기구에 대응하는 공간과, 다른 마이크로파 방사 기구에 대응하는 공간으로 구획하고, 상기 다공판과 전기적으로 도통하는 도전성 재료로 이루어지는 구획벽을 더 포함하는, 마이크로파 플라즈마원.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 마이크로파 방사 기구는, 상기 챔버의 천장벽의 중심부에 하나, 주연부에 복수 배치되어 있고, 상기 구획벽은, 상기 공간을, 상기 중심부의 마이크로파 방사 기구에 대응하는 공간과, 상기 주연부의 마이크로파 방사 기구에 대응하는 공간으로 구획하는, 마이크로파 플라즈마원.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 구획벽은, 상기 공간을, 모든 마이크로파 방사 기구에 대응하는 공간으로 구획하는, 마이크로파 플라즈마원.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 구획벽은, 전계 파형이 통과하지 않는 크기의 다수의 구멍을 갖는 다공 구조인, 마이크로파 플라즈마원.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 구멍의 직경(d)은, 마이크로파의 주파수를 f라 하면, 2.58×109/f 이하인, 마이크로파 플라즈마원.
  11. 피처리 기판을 수용하는 챔버와,
    상기 챔버 내에서 피처리체를 적재하는 적재대와,
    상기 챔버 내에 가스를 공급하는 가스 공급 기구와,
    상기 챔버 내에 마이크로파를 방사해서 표면파 플라즈마를 형성하는 마이크로파 플라즈마원
    을 구비하고, 상기 표면파 플라즈마에 의해 피처리 기판에 플라즈마 처리를 실시하는 플라즈마 처리 장치로서,
    상기 마이크로파 플라즈마원은,
    상기 챔버의 천장벽에 설치되고, 상기 챔버 내에 마이크로파를 방사하는 복수의 마이크로파 방사 기구와,
    상기 복수의 마이크로파 방사 기구의 마이크로파 방사면으로부터 상기 챔버 내에 마이크로파를 방사했을 때 고전계 영역이 되는 상기 마이크로파 방사면의 바로 아래의 고전계 형성 영역에 설치되며, 다수의 구멍을 갖고, 접지 전위로 설정된 도전성 재료로 이루어지는 다공판
    을 포함하고,
    상기 다공판은, 상기 마이크로파 방사 기구로부터 마이크로파가 방사되었을 때, 상기 마이크로파 방사면의 바로 아래에 형성되는 표면파를, 고전계 영역이 되는 상기 마이크로파 방사면과 상기 다공판에 의해 둘러싸인 공간에 가두머, 상기 공간에 생성되는 플라즈마의 전력 흡수 효율을 높게 유지하는 기능을 갖는 플라즈마 처리 장치.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 마이크로파 방사면과 상기 다공판의 상면과의 거리가 2 내지 30mm의 범위 내인, 플라즈마 처리 장치.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 공간의 상기 챔버 측면에 대응하는 부분에 형성된 절연성 피복을 포함하는, 플라즈마 처리 장치.
  14. 제11항에 있어서,
    상기 다공판의 상면에 절연성 피복을 포함하는, 플라즈마 처리 장치.
  15. 제11항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 마이크로파 방사 기구는, 상기 챔버의 천장벽의 중심부에 하나, 주연부에 복수 배치되어 있는, 플라즈마 처리 장치.
  16. 제11항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 공간을, 상기 복수의 마이크로파 방사 기구 중 적어도 하나의 마이크로파 방사 기구에 대응하는 공간과, 다른 마이크로파 방사 기구에 대응하는 공간으로 구획하고, 상기 다공판과 전기적으로 도통하는 도전성 재료로 이루어지는 구획벽을 더 포함하는, 플라즈마 처리 장치.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 마이크로파 방사 기구는, 상기 챔버의 천장벽의 중심부에 하나, 주연부에 복수 배치되어 있고, 상기 구획벽은, 상기 공간을, 상기 중심부의 마이크로파 방사 기구에 대응하는 공간과, 상기 주연부의 마이크로파 방사 기구에 대응하는 공간으로 구획하는, 플라즈마 처리 장치.
  18. 제16항에 있어서,
    상기 구획벽은, 상기 공간을, 모든 마이크로파 방사 기구에 대응하는 공간으로 구획하는, 플라즈마 처리 장치.
  19. 제16항에 있어서,
    상기 구획벽은, 전계 파형이 통과하지 않는 크기의 다수의 구멍을 갖는 다공 구조인, 플라즈마 처리 장치.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 구멍의 직경(d)은, 마이크로파의 주파수를 f라 하면, 2.58×109/f 이하인, 플라즈마 처리 장치.
  21. 제11항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 가스 공급 기구는, 상기 챔버의 천장벽에 설치되고, 제1 가스를 도입하는 제1 가스 도입부와, 상기 다공판과 상기 적재대와의 사이에 플라즈마 처리에 사용하는 제2 가스를 도입하는 제2 가스 도입부를 포함하는, 플라즈마 처리 장치.
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