KR20190071609A - 마이크로파 플라즈마 처리 장치 - Google Patents

마이크로파 플라즈마 처리 장치 Download PDF

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Abstract

(과제) 플라즈마 밀도를 증가시킬 수 있는 구조를 갖는 플라즈마 처리 장치를 제공한다.
(해결 수단) 마이크로파를 공급하는 마이크로파 공급부와, 처리 용기의 천장 벽 위에 마련되고, 상기 마이크로파 공급부로부터 공급된 마이크로파를 방사하는 마이크로파 방사 부재와, 상기 천장 벽의 개구를 막도록 마련되고, 상기 마이크로파 방사 부재를 거쳐 슬롯 안테나를 통과한 마이크로파를 투과하는 유전체로 이루어지는 마이크로파 투과 부재를 갖되, 상기 천장 벽에는, 상기 마이크로파 투과 부재를 투과하여 상기 천장 벽의 개구로부터 해당 천장 벽의 표면을 전파하는 마이크로파의 표면파 파장을 λsp로 했을 때에 상기 개구보다 외측에 λsp/4±λsp/8 범위의 깊이의 오목부가 형성되는 마이크로파 플라즈마 처리 장치가 제공된다.

Description

마이크로파 플라즈마 처리 장치{MICROWAVE PLASMA PROCESSING APPARATUS}
본 발명은 마이크로파 플라즈마 처리 장치에 관한 것이다.
마이크로파 도입부로부터 천장 벽의 개구에 마련된 투과창을 거쳐 진공 챔버 내에 마이크로파를 도입하고, 해당 마이크로파의 파워에 의해 가스로부터 생성된 플라즈마의 작용에 의해 기판에 플라즈마 처리를 하는 플라즈마 처리 장치가 알려져 있다(예를 들면, 특허 문헌 1을 참조). 이 플라즈마 처리 장치에서는, 개구의 주위에, 마이크로파의 전파를 감쇠시키는 초크 홈이 마련되어 있다. 초크 홈은 플라즈마의 자유 공간 파장 λ에 대하여 대략 λ/4의 전파 경로 길이를 갖고, 마이크로파의 전파를 억제한다.
(특허 문헌 1) 일본 특허 공개 공보 제2003－45848호 (특허 문헌 2) 일본 특허 공개 공보 제2004－319870호 (특허 문헌 3) 일본 특허 공개 공보 제2005－32805호 (특허 문헌 4) 일본 특허 공개 공보 제2009－99807호 (특허 문헌 5) 일본 특허 공개 공보 제2010－232493호 (특허 문헌 6) 일본 특허 공개 공보 제2016－225047호
그렇지만, 상기 특허 문헌 1에서는, 진공 챔버 내에 도입된 마이크로파의 전파 경로 길이에 대응하여 홈의 위치가 설계되어 있어, 홈의 형상을 최적화하는 것에 의해 플라즈마 밀도를 증가시키는 것은 고려되고 있지 않다.
플라즈마 밀도를 증가시키는 방법의 하나로, 투입 전력을 크게 하는 경우가 있지만, 이 경우, 최대 출력 전력이 큰 플라즈마원을 준비해야 한다. 또한, 플라즈마 처리 시에 전력을 더 많이 사용하기 때문에 생산 시의 비용이 증대한다. 따라서, 투입 전력을 크게 하지 않고 플라즈마 밀도를 증가시키기 위한 플라즈마 처리 장치의 구조가 요망된다.
상기 과제에 대하여, 일 측면에서, 본 발명은 플라즈마 밀도를 증가시킬 수 있는 구조를 갖는 플라즈마 처리 장치를 제공한다.
상기 과제를 해결하기 위해, 일 태양에 따르면, 마이크로파를 공급하는 마이크로파 공급부와, 처리 용기의 천장 벽 위에 마련되고, 상기 마이크로파 공급부로부터 공급된 마이크로파를 방사하는 마이크로파 방사 부재와, 상기 천장 벽의 개구를 막도록 마련되고, 상기 마이크로파 방사 부재를 거쳐 슬롯 안테나를 통과한 마이크로파를 투과하는 유전체로 이루어지는 마이크로파 투과 부재를 갖되, 상기 천장 벽에는, 상기 마이크로파 투과 부재를 투과하여 상기 천장 벽의 개구로부터 해당 천장 벽의 표면을 전파하는 마이크로파의 표면파 파장을 λsp로 했을 때에 상기 개구보다 외측에 λsp/4±λsp/8 범위의 깊이의 오목부가 형성되는 마이크로파 플라즈마 처리 장치가 제공된다.
일측면에 따르면, 플라즈마 밀도를 증가시킬 수 있는 구조를 갖는 플라즈마 처리 장치를 제공할 수 있다.
도 1은 일 실시형태에 관한 마이크로파 플라즈마 처리 장치의 일례를 나타내는 단면도.
도 2는 일 실시형태에 관한 천장 벽의 일례를 나타내는 도면(도 1의 A－A선 단면).
도 3은 일 실시형태에 관한 오목부의 일례를 나타내는 도면.
도 4는 일 실시형태에 관한 오목부와 비교예의 전계 차단 효율의 일례를 나타내는 도면.
도 5는 일 실시형태에 관한 오목부와 비교예의 전계 차단 효율을 설명하기 위한 도면.
도 6은 일 실시형태에 관한 오목부와 비교예의 전계 차단 효율의 평가 결과의 일례를 나타내는 도면.
도 7은 일 실시형태에 관한 오목부와 비교예의 전계 차단 효율의 평가 결과의 일례를 나타내는 도면.
도 8은 일 실시형태의 변형예 1에 관한 천장 벽의 일례를 나타내는 도면(도 1의 A－A선 단면).
도 9는 일 실시형태의 변형예 2에 관한 천장 벽의 일례를 나타내는 도면(도 1의 A－A선 단면).
도 10은 일 실시형태의 변형예 3에 관한 천장 벽의 오목부의 일례를 나타내는 단면도.
도 11은 일 실시형태의 변형예 4에 관한 천장 벽의 오목부의 일례를 나타내는 단면도.
도 12는 일 실시형태의 변형예 4에 관한 마이크로파의 표면파 파장 λsp와 플라즈마 전자 밀도의 관계의 일례를 나타내는 도면.
도 13은 마이크로파의 표면파 파장 λsp와 플라즈마 전자 밀도의 관계를 도출하는 계산에 사용하는 계(系)를 나타내는 도면.
이하, 본 발명을 실시하기 위한 형태에 대해 도면을 참조하여 설명한다. 또, 본 명세서 및 도면에서, 실질적으로 동일한 구성에 대해서는, 동일한 부호를 부여하는 것으로 중복 설명을 생략한다.
[마이크로파 플라즈마 처리 장치]
최초로, 본 발명의 일 실시형태에 관한 마이크로파 플라즈마 처리 장치(100)에 대하여 도 1을 참조하면서 설명한다. 도 1은 본 발명의 일 실시형태에 관한 마이크로파 플라즈마 처리 장치(100)의 일례를 나타내는 단면도이다. 마이크로파 플라즈마 처리 장치(100)는 웨이퍼(W)를 수용하는 처리 용기(1)를 갖는다. 처리 용기(1)의 상부는 개구되어 있고, 그 개구는 덮개(10)에 의해 개폐 가능하게 되어 있다. 이것에 의해, 덮개(10)는 처리 용기(1)의 천장 벽을 구성한다.
마이크로파 플라즈마 처리 장치(100)는 천장 벽의 표면을 전파하는 마이크로파의 표면파 플라즈마에 의해, 반도체 웨이퍼(W)(이하, 「웨이퍼(W)」라고 지칭함)에 대하여 소정의 플라즈마 처리를 행한다. 소정의 플라즈마 처리로는, 예컨대, 에칭 처리, 성막 처리, 애싱 처리 등을 들 수 있다.
처리 용기(1)는 기밀하게 구성된 알루미늄 또는 스텐레스강 등의 금속 재료 로 이루어지는 대략 원통 형상의 용기이며, 접지되어 있다. 처리 용기(1)와 덮개(10)의 접촉면에는 지지 링(129)이 마련되고, 이것에 의해, 처리 용기(1) 내는 기밀하게 밀봉된다. 덮개(10)는 알루미늄 등의 금속으로 구성되어 있다.
마이크로파 플라즈마원(2)은 마이크로파 출력부(30)와 마이크로파 전송부(40)와 마이크로파 방사 부재(50)를 갖는다. 마이크로파 출력부(30)는 복수 경로로 분배하여 마이크로파를 출력한다. 마이크로파 출력부(30)와 마이크로파 전송부(40)는 마이크로파를 공급하는 마이크로파 공급부의 일례이다.
마이크로파 전송부(40)는 마이크로파 출력부(30)로부터 출력된 마이크로파를 전송한다. 마이크로파 전송부(40)에 마련된 외주 가장자리 마이크로파 도입 기구(43a) 및 중앙 마이크로파 도입 기구(43b)는 앰프부(42)로부터 출력된 마이크로파를 마이크로파 방사 부재(50)에 도입하는 기능 및 임피던스를 정합하는 기능을 갖는다. 마이크로파 방사 부재(50)는 처리 용기(1)의 덮개(10) 위에 마련되어 있다.
마이크로파 방사 부재(50)의 하방에는 6개의 외주 가장자리 마이크로파 도입 기구(43a)에 대응하는 6개의 마이크로파 투과 부재(123)가 덮개(10)의 원주 방향에 등 간격으로 배치되어 있다(도 1의 A－A선 단면을 나타내는 도 2 참조). 또한, 중앙 마이크로파 도입 기구(43b)에 대응하는 1개의 마이크로파 투과 부재(133)가 덮개(10)의 중앙에 배치되어 있다. 마이크로파 투과 부재(123) 및 마이크로파 투과 부재(133)는 덮개(10) 내에 매립되고, 그 하면이 처리실 내에 원형으로 노출된다. 마이크로파 투과 부재(123, 133)의 하면은 천장 벽의 표면보다 더 슬롯(122, 132) 쪽에 위치한다.
외주 가장자리 마이크로파 도입 기구(43a) 및 중앙 마이크로파 도입 기구(43b)에는, 통 형상의 외측 도체(52) 및 그 내측에 마련된 막대 형상의 내측 도체(53)가 동축 형상으로 배치되고, 외측 도체(52)와 내측 도체(53)의 사이는 마이크로파 전송로(44)로 되어 있다.
외주 가장자리 마이크로파 도입 기구(43a) 및 중앙 마이크로파 도입 기구(43b)는 슬러그(54)와 그 선단부에 위치하는 임피던스 조정 부재(140)를 갖는다. 슬러그(54)는 유전체로 형성되고, 슬러그(54)를 이동시키는 것에 의해, 처리 용기(1) 내의 부하(플라즈마)의 임피던스를 마이크로파 출력부(30)에서의 마이크로파 전원의 특성 임피던스에 정합시키는 기능을 갖는다. 임피던스 조정 부재(140)는 유전체로 형성되고, 그 비유전률에 의해 마이크로파 전송로(44)의 임피던스를 조정한다.
마이크로파 방사 부재(50)는 마이크로파를 투과시키는 원반 형상의 부재로 형성되어 있다. 마이크로파 방사 부재(50) 아래에는, 덮개(10)에 형성된 슬롯(122, 132)을 거쳐 마이크로파 투과 부재(123, 133)가 덮개(10)의 개구를 막도록 마련되어 있다.
마이크로파 투과 부재(123, 133)는 유전체로 형성된다. 마이크로파 방사 부재(50)는 중앙에 공간(121, 131)을 갖고, 공간(121, 131)에 연결되는 슬롯(122, 132)을 거쳐 마이크로파 투과 부재(123, 133)에 마이크로파를 방사한다. 마이크로파 투과 부재(123, 133)는 천장 벽의 표면에서 균일하게 마이크로파의 표면파 플라즈마를 형성하기 위한 유전체 창으로서의 기능을 갖는다.
마이크로파 투과 부재(123, 133)는 마이크로파 방사 부재(50)와 마찬가지로, 예를 들면, 석영, 알루미나(Al2O3) 등의 세라믹, 폴리테트라플루오르에틸렌 등의 불소계 수지나 폴리이미드계 수지로 형성되어도 좋다.
마이크로파 방사 부재(50)는 진공보다 큰 비유전률을 갖는 유전체이며, 예를 들면, 석영, 알루미나(Al2O3) 등의 세라믹, 폴리테트라플루오르에틸렌 등의 불소계 수지나 폴리이미드계 수지 등으로 형성된다. 이것에 의해, 마이크로파 방사 부재(50) 내를 투과하는 마이크로파의 파장을, 진공 중을 전파하는 마이크로파의 파장보다 짧게 하여 슬롯(122, 132)을 포함하는 안테나 형상을 작게 하는 기능을 갖는다.
이러한 구성에 의해, 마이크로파 출력부(30)로부터 출력 전송된 마이크로파는 마이크로파 전송로(44)를 거쳐 마이크로파 방사 부재(50)에 전파되고, 마이크로파 방사 부재(50)로부터 처리 용기(1) 내로 방사된다. 이것에 의해, 처리 용기(1) 내에 마이크로파의 전력이 공급된다.
한편, 외주 가장자리 마이크로파 도입 기구(43a) 및 중앙 마이크로파 도입 기구(43b)의 개수는 본 실시 형태에 나타내는 개수로 한정되지 않는다. 예를 들면, 1개의 중앙 마이크로파 도입 기구(43b)만을 마련하고, 외주 가장자리 마이크로파 도입 기구(43a)를 마련하지 않아도 좋다. 즉, 외주 가장자리 마이크로파 도입 기구(43a)의 개수는 0이어도 좋고, 1 또는 복수여도 좋다.
덮개(10)는 알루미늄 등의 금속으로 형성되고, 내부에 샤워 구조의 가스 도입부(62)가 형성되어 있다. 가스 도입부(62)에는 가스 공급 배관(111)을 거쳐 가스 공급원(22)이 접속되어 있다. 가스는 가스 공급원(22)으로부터 공급되고, 가스 공급 배관(111)을 거쳐 가스 도입부(62)의 복수의 가스 공급 구멍(60)으로부터 처리 용기(1)의 내부로 공급된다. 가스 도입부(62)는 처리 용기(1)의 천장 벽에 형성된 복수의 가스 공급 구멍(60)으로부터 가스를 공급하는 가스 샤워 헤드의 일례이다. 가스의 일례로는, 예컨대, Ar 가스나, Ar 가스와 N2 가스의 혼합 가스를 들 수 있다.
처리 용기(1) 내에는 웨이퍼(W)를 탑재하는 탑재대(11)가 마련되어 있다. 탑재대(11)는 처리 용기(1)의 바닥부 중앙에 절연 부재(12a)를 거쳐 설치된 지지 부재(12)에 의해 지지되고 있다. 탑재대(11) 및 지지 부재(12)를 구성하는 재료로는, 표면을 아르마이트 처리(양극 산화 처리)한 알루미늄 등의 금속이나 내부에 고주파용 전극을 가진 절연 부재(세라믹 등)가 예시된다. 탑재대(11)에는 웨이퍼(W)를 정전 흡착하기 위한 정전 척, 온도 제어 기구, 웨이퍼(W)의 이면에 열 전달용 가스를 공급하는 가스 유로 등이 마련되어도 좋다.
탑재대(11)에는 정합기(13)를 거쳐 고주파 바이어스 전원(14)이 접속되어 있다. 고주파 바이어스 전원(14)으로부터 탑재대(11)에 고주파 전력이 공급되는 것에 의해, 웨이퍼(W) 측에 플라즈마 내의 이온을 끌어들인다. 또, 고주파 바이어스 전원(14)은 플라즈마 처리의 특성에 따라서는 마련하지 않아도 좋다.
처리 용기(1)의 바닥부에는 배기관(15)이 접속되어 있고, 이 배기관(15)에는 진공 펌프를 포함하는 배기 장치(16)가 접속되어 있다. 배기 장치(16)를 작동시키면, 처리 용기(1)의 내부가 배기되고, 이것에 의해, 처리 용기(1)의 내부가 소정의 진공도까지 고속으로 감압된다. 처리 용기(1)의 측벽에는, 웨이퍼(W)의 반출입을 행하기 위한 반출입구(17)와 반출입구(17)를 개폐하는 게이트 밸브(18)가 마련되어 있다.
마이크로파 플라즈마 처리 장치(100)의 각 부분은, 제어부(3)에 의해 제어된다. 제어부(3)는 마이크로프로세서(4), ROM(5; Read Only Memory), RAM(6; Random Access Memory)을 갖고 있다. ROM(5)이나 RAM(6)에는 마이크로파 플라즈마 처리 장치(100)의 프로세스 순서 및 제어 파라미터인 프로세스 레시피가 기억되어 있다. 마이크로프로세서(4)는, 프로세스 순서 및 프로세스 레시피에 근거하여, 마이크로파 플라즈마 처리 장치(100)의 각 부분을 제어한다. 또한, 제어부(3)는 터치 패널(7) 및 디스플레이(8)를 갖고, 프로세스 순서 및 프로세스 레시피에 따라, 소정 제어를 행할 때의 입력이나 결과의 표시 등이 가능하게 되어 있다.
이러한 구성의 마이크로파 플라즈마 처리 장치(100)에서 플라즈마 처리를 행할 때에는, 우선, 웨이퍼(W)가 반송 암 상에 유지된 상태에서, 개구된 게이트 밸브(18)로부터 반출입구(17)를 거쳐 처리 용기(1) 내의 탑재대(11)에 탑재된다. 처리 용기(1) 내부의 압력은 배기 장치(16)에 의해 소정의 진공도로 유지된다. 가스가 가스 도입부(62)로부터 샤워 형상으로 처리 용기(1) 내에 도입된다.
마이크로파 방사 부재(50), 슬롯(122, 132) 및 마이크로파 투과 부재(123, 133)를 거쳐 방사된 마이크로파의 표면파가 천장 벽의 표면을 전파한다. 그렇게 하면, 그 표면파의 전계에 의해 가스가 전리 및 해리 등을 하여 천장 벽의 표면 근방에 마이크로파의 표면파 플라즈마가 생성된다. 이 표면파 플라즈마를 사용하여 처리 용기(1)의 천장 벽과 탑재대(11) 사이의 처리 공간(U)에서 웨이퍼(W)가 플라즈마 처리된다.
[오목부]
이러한 구성의 본 실시 형태에 관한 마이크로파 플라즈마 처리 장치(100)의 덮개(10)에서의 천장 벽의 표면(이면)에 대하여, 도 1의 A－A선 단면을 나타내는 도 2를 참조하면서 설명을 계속한다. 천장 벽의 표면에서는, 마이크로파 투과 부재(123)가 주변 측에서 원주 방향에 등 간격으로 6개 마련되고, 마이크로파 투과 부재(133)가 1개 마련된다. 각 마이크로파 투과 부재(123)는 주변부의 천장 벽의 개구로부터 노출되고, 마이크로파 투과 부재(133)는 중앙의 천장 벽의 개구로부터 노출되어 있다. 천장 벽에는, 마이크로파 투과 부재(123, 133)가 노출되는 천장 벽의 개구의 각각을 둘러싸도록 7개의 오목부(홈)(70)가 링 형상으로 형성되어 있다.
각 오목부(70)는 마이크로파 투과 부재(123, 133)의 각각을 투과하고, 천장 벽의 개구로부터 천장 벽의 표면을 전파하는 마이크로파의 표면파 파장을 λsp라고 하면, λsp/4의 깊이는, 즉, 대개 5㎜~7㎜로 형성된다. 다만, 오목부(70)의 깊이는 λsp/4로 한정되지 않고, λsp/4±λsp/8의 범위여도 좋다.
또한, 오목부(70)의 내주측 직경은, 도 2에 나타내는 바와 같이, 마이크로파 투과 부재(123, 133)가 노출되는 천장 벽의 개구 직경 φ에 대하여 φ＋10㎜~100㎜의 범위 내로 된다. 오목부(70)의 내주측의 직경은 φ＋10㎜~100㎜의 범위 내이면, 링 형상의 오목부(70)를 동심원 형상으로 복수 형성해도 좋다.
[오목부의 평가]
다음에, 오목부의 평가 결과의 일례에 대하여, 도 3을 참조하면서 설명한다. 도 3(a) 및 도 3(b)는 비교예의 일례이며, 마이크로파 투과 부재(123, 133)가 노출하는 천장 벽의 개구 각각을 둘러싸도록 볼록부(71)가 링 형상으로 형성되어 있다. 도 3(a)의 볼록부(71)의 천장 벽의 표면으로부터의 높이는 5㎜이며, 도 3(b)의 볼록부(71)의 표면으로부터의 높이는 10㎜이다.
도 3(c)는 본 실시 형태의 일례이며, 오목부(70)의 일례인 깊이가 5㎜인 오목부(70a, 70b)가 링 형상의 2중으로 형성되어 있다.
도 3(d)는 본 실시 형태의 일례이며, 깊이가 5㎜인 오목부(70a, 70b) 사이에 볼록부가 형성되어 있다. 볼록부는 오목부(70a, 70b)의 바닥부로부터 10㎜, 즉, 천장 벽의 표면으로부터 5㎜ 돌출되어 있다.
이러한 구성에서, 다음의 프로세스 조건으로 마이크로파의 표면파 플라즈마를 생성했다.
＜프로세스 조건＞
가스 종류 Ar가스
마이크로파의 전력 400W
마이크로파의 주파수 860㎒
압력 10Pa
이 결과를 도 4에 나타낸다. 도 4(a)의 그래프는 천장 벽의 표면을 전파하는 표면파 플라즈마의 전계 상태의 일례를 나타낸다. 가로축은 천장 벽의 중앙(그래프의 우단)으로부터의 거리 R(㎜)를 나타내고, 세로축은 표면파 플라즈마의 전계 강도 Power(mW)를 나타낸다. 가로축의 -70㎜의 라인은 볼록부(71) 또는 오목부(70)가 형성된 위치이다. 이것에 따르면, 도 3(a)의 볼록부(71)가 형성된 경우의 「a」및 도 3(b)의 볼록부(71)가 형성된 경우의 「b」보다, 도 3(c)의 오목부(70)가 형성된 경우의 「c」 및 도 3(d)의 오목부(70)가 형성된 경우의 「d」쪽이, 볼록부(71) 또는 오목부(70)가 형성된 위치보다 외주 측의 표면파 플라즈마의 전계 강도가 낮게 되어 있다. 즉, 천장 벽의 표면에는 볼록부보다 오목부를 마련하는 것에 의해, 표면파 플라즈마의 전계 차단 효율을 높일 수 있다. 또한, 도 3(c)에 나타내는 5㎜ 깊이의 오목부(70)를 마련하는 것에 의해, 도 3(d)에 나타내는 오목부(중앙이 10㎜의 높이)를 마련하는 것보다 더 표면파 플라즈마의 전계 차단 효율이 높아지는 것을 알 수 있다.
이상의 평가 결과로부터, 마이크로파 투과 부재(123, 133)가 노출하는 천장 벽 개구의 각각을 둘러싸도록 5㎜ 정도, 즉, λsp/4 깊이의 오목부를 형성하는 것이 바람직한 것을 알았다. 또한, 천장 벽 개구의 각각을 둘러싸도록 볼록부를 마련했을 때의 표면파 플라즈마의 전계 차단 효율은 오목부를 마련했을 때보다 낮은 것을 알았다. 또, 천장 벽의 개구로부터 천장 벽의 표면을 전파하는 마이크로파의 표면파 파장 λsp는, 바꾸어 말하면, 플라즈마의 표면을 흐르는 마이크로파의 표면파 파장이며, 진공 중의 플라즈마의 자유 공간 파장의 1/10~1/20 정도로 된다.
도 4(b)의 그래프는 상기 프로세스 조건에서 생성된 플라즈마 전자 밀도의 일례를 나타낸다. 또, 플라즈마 전자 밀도는 플라즈마 밀도와 동의이다.
도 4(b)의 그래프의 「c」, 즉, 도 3(c)의 오목부(70)가 형성된 경우의 플라즈마 전자 밀도는 가로축의 -70㎜의 라인보다 내측의 전자 밀도에서, 「a」(즉, 도 3(a)의 볼록부(71)가 형성된 경우), 「b」(즉, 도 3(b)의 볼록부(71)가 형성된 경우) 및 「d」(즉, 도 3(d)의 오목부(70)가 형성된 경우)보다 현저하게 높은 것을 알았다. 그 결과, 천장 벽 개구의 각각을 둘러싸도록 5㎜의 깊이의 오목부를 마련하는 것에 의해, 오목부의 내측에서의 전력 흡수 효율을, 도 4의 예에서는 ＋200W 상당분 증가시킬 수 있다는 것을 알 수 있었다.
오목부의 깊이를 5㎜로 설계했을 때에 표면파 플라즈마의 전계 차단 효율이 높은 이유에 대하여, 도 5를 참조하면서 설명한다. 도 5의 마이크로파 투과 부재(123)의 중심축 O로부터 좌측은 도 3(c)의 오목부(70a, 70b)를 형성한 경우의 모델을 나타내고, 중심축 O로부터 우측은 도 3(d)의 오목부(70a, 70b)를 형성한 경우의 모델을 나타낸다.
중심축 O로부터 좌측 영역 B를 확대한 도 5의 왼쪽 중앙의 도면에, 마이크로파의 표면파(S)가 전파되는 상태를 모식적으로 나타낸다. 중심축으로부터 우측 영역 C를 확대한 도 5의 오른쪽 중앙의 도면에, 마이크로파의 표면파(S)가 전파되는 상태를 모식적으로 나타낸다.
영역 B의 확대도로 나타내는 마이크로파의 표면파에는, 천장 벽의 표면을 오목부(70a, 70b)의 내부로 파고들지 않고 직진하는 표면파(Sa)와, 천장 벽의 표면을 오목부(70a, 70b)의 내부로 파고들면서 진행하는 표면파(Sb)가 있다.
오목부(70a, 70b) 내부로 파고들면서 진행하는 표면파(Sb)는 오목부(70a, 70b)의 내부를 전파하고, 바닥부에서 반사하여 왕복하고, 표면파(Sa)와 합류한다. 합류점에서, 표면파(Sb)의 위상은 오목부(70a, 70b)의 내부를 왕복했을 때의 거리 λg/2(=(λg/4)×2)만큼 표면파(Sa)의 위상으로부터 어긋난다. 그 결과, 도 5의 왼쪽 아래의 표면파(Sa, Sb)로 나타내는 바와 같이, 합류한 표면파(Sa)와 표면파(Sb)는 서로 상쇄된다. 이것에 의해, 오목부(70a, 70b)의 깊이를 5㎜로 설계했을 때에는 표면파 플라즈마의 전계 차단 효율이 높아져, 오목부(70a, 70b) 내측에서의 전력 흡수 효율을 향상시켜, 플라즈마 밀도를 증가시킬 수 있다.
한편, 영역 C의 확대도에 나타내는 마이크로파의 표면파에는, 오목부(70a, 70b) 내부로 파고들어 진행하는 표면파(Sb)의 위상은 도 3(c)의 경우의 위상의 차이가 ＋λg/2만큼 표면파(Sa)의 위상으로부터 어긋난다. 도 3(c)의 경우의 위상의 차이는 λg/2이기 때문에, 표면파(Sb)의 위상은 λg만큼 표면파(Sa)의 위상으로부터 어긋난다. 그 결과, 도 5의 오른쪽 아래의 표면파(Sa, Sb)로 나타내는 바와 같이, 합류한 표면파(Sa)와 표면파(Sb)는 서로 강화된다.
이상의 이유로, 도 3(d)의 오목부(70a, 70b)에 의한 마이크로파의 표면파 플라즈마의 전계 차단 효율은 도 3(c)의 오목부(70a, 70b)에 의한 마이크로파의 표면파 플라즈마의 전계 차단 효율보다 낮아졌다. 그 결과, 도 4(a)에 나타내는 바와 같이, 가로축의 -70㎜의 라인보다 외측의 「d」의 전계 강도는 「c」의 전계 강도보다 높게 되어 있다. 이것에 의해, 도 4(b)의 「c」에 나타내는 전력 흡수 효율은 도 4(b)의 「d」에 나타내는 전력 흡수 효율보다 현저하게 높게 되어 있다. 그 결과, 도 3(d)의 오목부(70a, 70b)에서는, 도 3(c)의 오목부(70a, 70b)를 천장 벽에 형성한 경우보다 오목부(70a, 70b)의 내부에서 플라즈마 밀도를 증가시키는 것은 어려운 것을 알았다.
이상으로부터, 본 실시 형태에 관한 마이크로파 플라즈마 처리 장치(100)의 천장 벽의 표면에는, 천장 벽 개구의 직경 φ에 대하여 외주 측에 직경 φ＋10㎜~100㎜의 범위 내의 직경을 갖도록, 링 형상으로 5㎜(즉, λg/4) 정도의 깊이의 오목부(70)가 형성된다. 오목부(70)의 개수는 1개라도 좋고, 복수라도 좋다. 다만, 오목부(70)의 개수는 1개보다 복수인 편이 전계 차단 효율을 더 높일 수 있기 때문에 바람직하다.
또, 본 실시 형태에 관한 마이크로파 플라즈마 처리 장치(100)는 마이크로파 전송부(40), 마이크로파 방사 부재(50), 슬롯(122, 132), 마이크로파 투과 부재(123, 133)가 7개씩 마련되었지만, 1개뿐이어도 좋다. 이 경우에도, 1개의 마이크로파 투과 부재의 외주를 둘러싸도록 오목부(70)가 1개 마련된다.
[프로세스 조건(압력, 가스 종류)의 변동과 전계 차단 효율]
다음에, 도 6 및 도 7을 참조하여, 본 실시 형태에 관한 오목부의 전계 차단 효율의 평가 결과의 일례에 대하여, 비교예와 비교하면서 설명한다. 도 6은 압력 및 가스 종류의 프로세스 조건을 변경하였을 때의 천장 벽의 표면에 전파하는 마이크로파의 표면파 플라즈마의 전계 강도의 일례를 나타낸다. 도 7은 압력 및 가스 종류의 프로세스 조건을 변경하였을 때의 플라즈마 전자 밀도의 일례를 나타낸다.
도 6에 따르면, 천장 벽의 표면에 깊이 5㎜의 오목부(70)를 마련한 경우, Ref.로 표시되는 오목부를 마련하지 않은 경우와 비교하여, 6Pa, 10Pa, 20Pa의 어느 경우에서도 오목부(70)가 형성된 -70㎜의 라인보다 외측에서 전계 강도가 낮고, 오목부(70)에 의한 표면파의 전계 차단 효율이 있는 것을 알 수 있었다. 또한, 도 7에 따르면, 천장 벽의 표면에 깊이 5㎜의 오목부(70)를 마련한 경우, Ref.로 표시되는 오목부를 마련하지 않은 경우와 비교하여, 6Pa, 10Pa, 20Pa의 어느 경우에서도 오목부(70)가 형성된 -70㎜의 라인보다 내측 영역에서 플라즈마 밀도가 1.3배~1.5배 정도 증가하고 있는 것을 알 수 있었다. 이것은 깊이 5㎜의 오목부(70)를 마련하는 것에 의해, 마이크로파의 투입 전력의 플라즈마에의 흡수가 좋아져, 투입한 전력에 대하여 플라즈마 밀도가 최대로 1.5배까지 높아졌다고 생각된다. 이들 결과는 Ar 가스의 플라즈마 또는 Ar 가스와 N2 가스의 플라즈마 중 어느 것에서도, 마찬가지였다.
또, 처리 용기 내의 압력이 5Pa~50Pa인 범위에서는, 마이크로파의 주파수로 오목부(70) 깊이의 적정값이 변경되고, 압력과 가스 종류로 오목부(70) 위치의 적정값이 변경된다. 구체적으로는, Ar/N2의 혼합 가스의 경우, 압력을 올릴수록 오목부(70) 위치의 적정값은 내측으로 된다. 또한, Ar 가스의 경우, 압력을 낮출수록 오목부(70) 위치의 적정값은 외측으로 된다.
[변형예]
마지막으로 변형예에 관한 천장 벽의 오목부(70)에 대하여, 도 8 내지 도 10을 참조하여 설명한다. 도 8은 본 실시 형태의 변형예 1에 관한 천장 벽의 일례를 나타내는 도면(도 1의 A－A선 단면의 일례)이다. 도 9는 본 실시 형태의 변형예 2에 관한 천장 벽의 일례를 나타내는 도면(도 1의 A－A선 단면의 일례)이다. 도 10은 본 실시 형태의 변형예 3에 관한 천장 벽의 오목부의 일례를 나타내는 단면도이다.
(변형예 1)
도 8에 나타내는 변형예 1에 관한 오목부(70)에는, 원주 방향으로 서로 인접하는 마이크로파 투과 부재(123)의 위치에 따라 오목부(70)의 대향하는 위치에 2개의 개구부(70d)가 형성되어 있다. 개구부(70d)는 천장 벽 표면과 같은 높이이며, 오목부(70)가 없는 부분이다. 마이크로파의 표면파 일부는 개구부(70d)로부터 오목부(70)보다 외주 측으로 전파된다. 개구부(70d)의 단부는 평행하게 형성되어 있지만, 이것에 한정되지 않고, 대개 30°~60°의 각도 범위에서 개구되어 있는 것이 바람직하다.
이와 같이, 각 오목부(70)에, 원주 방향으로 인접하는 마이크로파 투과 부재(123) 측으로 열린 2개의 개구부(70d)를 마련하는 것에 의해, 개구부(70d)로부터 천장 벽을 전파하는 마이크로파의 표면파 플라즈마의 일부가 오목부(70)의 외측으로 누설된다. 이것에 의해, 인접하는 마이크로파 투과 부재(123)간의 플라즈마 밀도가 저하하는 것을 방지하면서, 각 오목부(70)보다 내측 영역에서 플라즈마 밀도를 증가시킬 수 있다. 그 결과, 프로세스 성능을 향상시킬 수 있다.
(변형예 2)
도 9에 나타내는 변형예 2에 관한 오목부(70)는 복수의 마이크로파 투과 부재(123, 133)가 노출하는 천장 벽의 개구 전체를 둘러싸도록 링 형상으로 1개 형성된다. 이것에 의해서도, 오목부(70)의 내측에서 전력 흡수 효율을 향상시켜, 플라즈마 밀도를 증가시킬 수 있다. 그 결과, 프로세스 성능을 향상시킬 수 있다.
(변형예 3)
도 10(a)에 나타내는 변형예 3에 관한 오목부(70)에서는, 측벽(70e)이 바닥부를 향해 내측으로 경사지도록 테이퍼 형상으로 형성된다. 아울러, 도 10(b)에 나타내는 바와 같이, 오목부(70)의 내벽면을 용사(溶射)에 의해 이트리아(Y2O3)의 보호막(70f)으로 코팅해도 좋다. 이트리아의 보호막(70f)은 오목부(70) 측면이 테이퍼 형상인 경우에 한정되지 않고, 수직 형상의 오목부(70)의 측면 및 바닥면을 코팅해도 좋다. 이것에 의해, 오목부(70)에서의 플라즈마 내성을 향상시켜, 파티클의 발생을 방지할 수 있다. 도 10(a) 및 도 10(b)의 어느 경우에도, 오목부(70)의 깊이는 약 5㎜인 것이 바람직하다. 더욱이, 본 실시 형태 및 변형예 1 내지 3에서 형성하는 오목부(70)는 완전히 둥근 원이어도 좋고, 타원이어도 좋다.
이상에 설명한 바와 같이, 본 실시 형태의 마이크로파 플라즈마 처리 장치(100)에서는, 천장 벽의 개구(마이크로파의 방사 영역, 마이크로파 투과 부재(123, 133)의 위치)로부터 소정 거리 외측에서, 천장 벽에 λg/4 또는 λg/4±λg/8의 깊이의 오목부(70)가 형성된다. 이것에 의해, 오목부(70)에 의해, 마이크로파의 표면파 플라즈마의 전계 차단 효율을 높이고, 오목부(70) 내측에서의 전력 흡수 효율을 향상시켜, 플라즈마 밀도를 증가시킬 수 있다. 그 결과, 프로세스 성능을 향상시킬 수 있다.
(변형예 4)
다음에, 일 실시형태의 변형예 4에 관한 천장 벽의 오목부(70)에 대하여, 도 11을 참조하면서 설명한다. 변형예 4에서는, 마이크로파 투과 부재(123, 133)에 의해 덮이는 덮개(10)의 개구보다 외측에, 마이크로파의 표면파 파장 λsp에 대하여 플라즈마 전자 밀도가 지수 함수적으로 변화하는 것과 같은, 다른 깊이의 2 이상의 오목부가 형성된다.
도 11(a)에서는, 파장 λsp에 대하여 플라즈마 전자 밀도가 지수 함수적으로 변화하는 것과 같은, 다른 깊이의 5개의 오목부(70g, 70h, 70i, 70j, 70k)가 형성되어 있다. 도 11(b)에서는, 파장 λsp에 대하여 플라즈마 전자 밀도가 지수 함수적으로 변화하는 것과 같은, 다른 깊이의 2개의 오목부(70m, 70n)가 형성되어 있다. 오목부(70g, 70h, 70i, 70j, 70k) 및 오목부(70m, 70n)를 총칭하여 오목부(70)라고도 한다.
도 11(a)에 나타내는 오목부(70g, 70h, 70i, 70j, 70k)는 덮개(10)의 개구보다 외측의 천장 벽의 이면에 형성된다. 도 11(b)에 나타내는 오목부(70m, 70n)는 개구보다 외측의 천장 벽의 측벽에 형성된다. 도 11(a) 및 (b)는 조합이어도 좋다.
2 이상의 오목부(70)의 깊이는 덮개(10)의 개구로부터 가까울수록 얕고, 개구로부터 멀수록 깊은 것이 바람직하다. 다만, 덮개(10)의 개구로부터 가까울수록 깊고, 개구로부터 멀수록 얕아도 좋다. 또한, 오목부(70)의 수는 이것으로 한정되지 않고, 복수이면, 3개 또는 4개라도 좋고, 그 이상이라도 좋다. 또한, 오목부(70)의 간격은 대략 λsp/4로서 등 간격인 것이 바람직하지만, 이것에 한정되지 않는다. 또한, 변형예 4에 나타내는 2 이상의 오목부(70)는 변형예 1, 변형예 2 및 변형예 3에 나타내는 오목부(70)의 위치나 형상과 조합하여 적용할 수 있다.
이것에 의해, 플라즈마 전자 밀도를 높은 상태로 유지하면서, 오목부(70)에서 마이크로파의 표면파(전자파)를 차단할 수 있다. 그 이유에 대하여 이하에 설명한다.
도 12는 일 실시형태의 변형예 4에 관한 시스(sheath) 중 마이크로파의 표면파 파장 λsp와 플라즈마 전자 밀도의 관계를 나타내는 그래프이다. 가로축 x는 플라즈마 전자 밀도를 나타내고, 세로축 y는 마이크로파의 표면파 파장 λsp의 1/4을 나타낸다. 파선으로 나타내는 프로세스 가스 영역에서는, 플라즈마 처리에 사용하는 프로세스 가스에서, 파장 λsp/4와 플라즈마 전자 밀도는 대략 직선으로 된다. 또한, 상기의 프로세스 가스 영역으로부터 플라즈마 처리에 사용하는 Ar 가스까지의 영역에서도 λsp/4와 플라즈마 전자 밀도는 대체로 직선으로 된다.
본 그래프에서는, 파장 λsp/4에 대하여 플라즈마 전자 밀도는 대수 관계로 표시되어 있기 때문에, 프로세스 가스 영역에서 파장 λsp/4에 대하여 플라즈마 전자 밀도는 지수 함수적으로 변화하는 것을 알 수 있다. 즉, 프로세스 가스 영역에서 파장 λsp는 플라즈마 전자 밀도에 의존하여 지수 함수적으로 변화한다. 환언하면, 플라즈마 전자 밀도에 의해 마이크로파의 표면파 파장 λsp/4는 변경되기 때문에, 오목부(70)는 타깃으로 하는 플라즈마 전자 밀도에 대응하는 파장 λsp/4의 깊이로 형성하는 것이 바람직하다.
이상의 플라즈마 특성을 이용하여, 도 11(a) 및 (b)에 나타내는 바와 같이, 플라즈마 전자 밀도와 함께 지수 함수적으로 변화시킨 다른 깊이의 복수의 오목부(70)를 마련한다. 이것에 의해, 프로세스 조건에 대응한 전자 밀도 영역을 타깃으로 하는 복수의 오목부(70)를 형성할 수 있다. 그 결과, 플라즈마 전자 밀도는 높은 상태를 유지하면서, 오목부(70)에서 마이크로파의 표면파를 차단할 수 있다.
도 12의 그래프에 나타내는 마이크로파의 표면파 파장 λsp와 플라즈마 전자 밀도의 관계는 이하와 같이 하여 도출된다. 도 13은 마이크로파의 표면파 파장 λsp와 플라즈마 전자 밀도의 관계를 도출하기 위한 계산에 사용하는 계로서, (y, z) 방향으로 마련된 덮개(10) 아래에 시스 및 플라즈마가 형성된 상태를 나타낸다. 시스의 비유전률을 εr(=1)로 하고, 플라즈마의 비유전률을 εp로 하면, 맥스웰 방정식과 전자의 운동 방정식으로부터 식 (1)이 도출된다.
Figure pat00001
α는 시스 중의 x 방향의 마이크로파의 파수를 나타낸다. β는 플라즈마 중의 x 방향의 마이크로파의 파수를 나타낸다. s는 시스의 두께를 나타낸다.
α는 식 (2)에 의해 표시되고, β는 식 (3)에 의해 표시된다.
Figure pat00002
식 (3)은 다음의 식 (4)로 변형할 수 있다.
Figure pat00003
γ는 전자와 중성 입자의 충돌 주파수이며, 계의 압력에 의해 정해진다. ω는 입력되는 주파수의 마이크로파의 각속도이며, c는 빛의 속도이다. ωp는 전자 플라즈마 주파수이며, 플라즈마 전자 밀도의 함수이다.
식 (2)의 k는 z 방향의 시스 중 마이크로파의 표면파의 파수를 나타낸다. 식 (4)의 k는 z 방향의 플라즈마 중 마이크로파의 표면파의 파수를 나타낸다. 도 13에 나타내는 z 방향의 시스와 플라즈마의 접면에서 양자의 파수는 일치하기 때문에, 식 (2) 및 식 (4)의 k의 개수는 같다.
식 (2) 및 식 (4)에서 정의되는 α와 β를 식 (1)에 대입하는 것에 의해, 다음의 식 (5)가 도출된다.
Figure pat00004
수학식 (4)로부터 플라즈마 중 마이크로파의 표면파의 파수 k와 전자 밀도 ωp의 관계가 연결되어 있기 때문에, 식 (5)로부터 도출되는 마이크로파의 표면파 파장 λsp와 마이크로파의 표면파의 파수 k의 관계식은 동 표면파의 파장 λsp와 전자 밀도ωp의 관계를 나타낸다.
이상으로부터, 식 (4) 및 식 (5)에 근거하여 도 12의 그래프가 도출되고, 마이크로파의 표면파 파장 λsp는 플라즈마 전자 밀도에 의존하고, 플라즈마 전자 밀도에 의해 변화하는 것을 알 수 있었다.
따라서, 프로세스 조건 영역의 다양한 플라즈마 전자 밀도에 따라 변화하는 여러 가지 파장 λsp의 표면파에 대응하여 오목부(70)에 의한 표면파를 차단하는 효과를 얻을 수 있도록, 프로세스 조건에 합치한 전자 밀도의 영역에 대응하는, 깊이가 지수 함수적으로 변화하는 복수의 오목부(70)를 형성한다. 이것에 의해, 복수의 오목부(70)의 적어도 어느 하나가, 프로세스 조건에 합치한 전자 밀도의 영역에 대응하는 깊이가 대략 λsp/4의 홈이 되는 확률을 높일 수 있다. 환언하면, 깊이가 지수 함수적으로 변화하는 복수의 오목부(70)를 형성하는 것에 의해 마이크로파의 표면파 플라즈마의 전계 차단 효율을 높인다고 하는 오목부(70)의 효과를 최대한으로 발휘할 수 있다. 이것에 의해, 오목부(70)의 내측에서의 전력 흡수 효율을 향상시켜, 플라즈마 밀도를 증가시킬 수 있다. 그 결과, 프로세스 성능을 향상시킬 수 있다.
이상, 마이크로파 플라즈마 처리 장치를 상기 실시형태 및 그 변형예에 의해 설명했지만, 본 발명에 따른 마이크로파 플라즈마 처리 장치는 상기 실시형태로 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 범위 내에서 여러 가지의 변형 및 개량이 가능하다. 상기 복수의 실시형태에 기재된 사항은 모순되지 않는 범위에서 조합시킬 수 있다.
본 명세서에서는, 웨이퍼(W)를 예로 들어 설명했지만, 플라즈마 처리 대상인 피처리체는 웨이퍼(W)로 한정되지 않고, LCD(Liquid Crystal Display), FPD(Flat Panel Display)에 이용되는 각종 기판 등이어도 좋다.
1 처리 용기 2 마이크로파 플라즈마원
3 제어부 10 덮개
11 탑재대 14 고주파 바이어스 전원
22 가스 공급원 30 마이크로파 출력부
40 마이크로파 전송부
43a 외주 가장자리 마이크로파 도입 기구
43b 중앙 마이크로파 도입 기구
44 마이크로파 전송로 50 마이크로파 방사 부재
52 외측 도체 53 내측 도체
54 슬러그 60 가스 공급 구멍
62 가스 도입부 70, 70a, 70b 오목부
70d 개구부 100 마이크로파 플라즈마 처리 장치
122, 132 슬롯 123, 133 마이크로파 투과 부재
U 처리 공간

Claims (9)

  1. 마이크로파를 공급하는 마이크로파 공급부와,
    처리 용기의 천장 벽 위에 마련되고, 상기 마이크로파 공급부로부터 공급된 마이크로파를 방사하는 마이크로파 방사 부재와,
    상기 천장 벽의 개구를 막도록 마련되고, 상기 마이크로파 방사 부재를 거쳐 슬롯 안테나를 통과한 마이크로파를 투과하는 유전체의 마이크로파 투과 부재
    를 갖되,
    상기 천장 벽에는, 상기 마이크로파 투과 부재를 투과하여 상기 천장 벽의 개구로부터 해당 천장 벽의 표면을 전파하는 마이크로파의 표면파 파장을 λsp라고 했을 때에 상기 개구보다 외측에 λsp/4±λsp/8 범위의 깊이의 오목부가 형성되는,
    마이크로파 플라즈마 처리 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 오목부는, 상기 천장 벽의 개구 단부로부터 외측으로 10㎜~100㎜의 범위 떨어져 하나 또는 복수 형성되는, 마이크로파 플라즈마 처리 장치.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 천장 벽의 개구는, 해당 천장 벽의 원주 방향으로 복수 마련되고, 복수의 상기 천장 벽의 개구를 막도록 복수의 상기 마이크로파 투과 부재가 마련되며,
    상기 오목부는, 복수의 상기 마이크로파 투과 부재가 노출되는 복수의 상기 천장 벽의 개구 전체를 둘러싸도록 링 형상으로 형성되는,
    마이크로파 플라즈마 처리 장치.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 천장 벽의 개구는, 해당 천장 벽의 원주 방향으로 복수 마련되고, 복수의 상기 천장 벽의 개구를 막도록 복수의 상기 마이크로파 투과 부재가 마련되며,
    상기 오목부는, 복수의 상기 마이크로파 투과 부재가 노출되는 복수의 상기 천장 벽의 개구 각각을 둘러싸도록 링 형상으로 형성되는,
    마이크로파 플라즈마 처리 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    복수의 상기 마이크로파 투과 부재의 각각에 대응하는 상기 오목부는 서로 인접하는 상기 마이크로파 투과 부재의 대향 위치 또는 그 근방에 따른 위치에 오목하지 않은 개구부를 갖는,
    마이크로파 플라즈마 처리 장치.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 오목부는, 테이퍼 형상으로 형성되는, 마이크로파 플라즈마 처리 장치.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 오목부의 내벽면은, 이트리아에 의해 코팅되어 있는, 마이크로파 플라즈마 처리 장치.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 개구보다 외측에 마이크로파의 표면파 파장 λsp에 대하여 플라즈마 전자 밀도가 지수 함수적으로 변화하는 것과 같은, 다른 깊이의 2 이상의 상기 오목부가 형성되는, 마이크로파 플라즈마 처리 장치.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 오목부는, 상기 개구보다 외측의 상기 천장 벽의 측면 또는 이면 중 적어도 어느 하나에 형성되는, 마이크로파 플라즈마 처리 장치.
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