KR20240055722A - 플라스마 처리 장치 - Google Patents

Abstract

플라스마 처리 장치의 처리실 내에서의 플라스마의 균일성을 보다 향상시키는 것을 가능하게 한다. 따라서, 피처리 기판(0113)을 재치(載置)하는 시료대를 내부에 구비한 시료실(0112)과, 시료실의 내부에 자계를 발생시키는 자계 발생 수단(0116)과, 마이크로파 전력을 발생시키는 마이크로파 전력원(0101)과, 마이크로파 전력을 반송하는 마이크로파 전력 반송부(0103, 0106)와, 반송된 마이크로파 전력을 유전체창을 통해 처리실의 내부에 공급하는 마이크로파 입체 회로부를 구비한 플라스마 처리 장치에 있어서, 마이크로파 입체 회로부를, 마이크로파 전력 반송부에 의해 반송된 마이크로파 전력을 복수의 방위각 방향으로 분기하는 분기 회로(0202)와, 이 분기 회로에서 복수의 방위각 방향으로 분기된 마이크로파 전력을 공진시키는 링 공진기(0201)와, 이 링 공진기로 공진시킨 마이크로파 전력을 유전체창을 통해 처리실의 내부에 공급하는 동축 선로부(0110)를 구비하여 구성했다.

Description

플라스마 처리 장치

본 발명은, 마이크로파와 정자계(靜磁界)의 상호 작용을 이용하여 플라스마를 발생시키는 플라스마 처리 장치에 관한 것이고, 특히, 플라스마 처리실 내에서의 당해 마이크로파의 진행 방향이 당해 정자계의 방향에 대하여 대략 수직이고, 또한 당해 마이크로파 전계의 방향이 당해 정자계의 방향에 대하여 대략 수직이 되도록, 정자계와 마이크로파 입체 회로계를 구성한 장치에 있어서, 처리실 내의 플라스마 밀도 분포의 관점에서 마이크로파 입체 회로계를 최적으로 한 장치에 관한 것이다.

반도체 집적 회로 소자의 생산에 플라즈마 처리 장치가 사용되고 있다. 소자의 성능 향상과 비용 저감을 위해, 소자의 미세화가 진전되어 왔다. 종래는 소자의 2차원적인 미세화에 의해, 1매의 피처리 기판으로 제조할 수 있는 소자 수가 증가하여 소자 1개당의 제조 비용이 낮아짐과 함께, 배선 장단축 등 소형화의 효과로 성능 향상도 도모되어 왔다. 그러나 반도체 소자의 치수가 원자의 치수에 가까운 나노미터 오더가 되면, 2차원적인 미세화의 난이도가 현저하게 높아져, 신재료나 3차원적인 소자 구조의 적용 등, 대응이 이루어지고 있다. 이들 구조 변경에 의해, 제조의 난이도가 높아짐과 함께 제조 공정은 증가하고, 제조 비용의 증대가 심각한 문제가 되고 있다.

제조 도중의 반도체 집적 회로 소자에 미소한 이물이나 오염 물질이 부착되면, 치명적인 결함이 되기 때문에, 반도체 집적 회로 소자는 이물이나 오염 물질을 배제하고 온도나 습도를 최적으로 제어한 클린룸 내에서 제조된다. 소자의 미세화에 따라, 제조에 필요한 클린룸의 청정도는 높아져, 클린룸의 건설이나 유지 운용에 막대한 비용이 필요해진다. 따라서, 클린룸 공간을 효율적으로 이용하여 생산하는 것이 요구된다. 이 관점에서, 반도체 제조 장치는 소형화와 저비용화가 엄격하게 요구되고 있다.

또한 피처리 기판에 대한 플라스마 처리의 면내 균일성도 중요하다. 반도체 집적 회로 소자의 제조에는 피처리 기판으로서 직경 300mm의 원판 형상의 실리콘 웨이퍼가 사용되는 경우가 많다. 이 실리콘 웨이퍼 상에 다수의 반도체 집적 회로 소자를 만드는 경우가 많지만, 플라스마 처리의 면내 균일성이 나쁘면, 1매의 실리콘 웨이퍼로부터 취득할 수 있는 사양을 만족한 양품이 적어지는 경우가 있다. 마찬가지로 각 피처리 기판마다의 플라스마 처리의 안정성도 중요하다. 플라스마 처리의 품질이 안정되지 않고, 예를 들면 경시적(經時的)으로 품질이 변화하는 경우는, 마찬가지로 양품의 비율이 저하하는 경우가 있다.

전자파에 의해 플라스마를 발생하는 플라스마 처리 장치에 있어서, 전자파로서 주파수가 수 GHz정도, 전형적으로는 2.45GHz의 마이크로파를 이용한 장치가 널리 사용되고 있다. 특히 마이크로파와 정자계를 조합하여 일어나는 전자 사이클로트론 공명(Electron Cyclotron Resonance, 이하 ECR이라고 칭함) 현상을 이용한 장치가 있으며, 이 장치는, 극저압 등 플라스마의 생성이 통상은 곤란한 조건에서도 비교적 안정적으로 플라스마를 생성할 수 있고, 정자계의 분포에 의해 플라스마의 분포를 제어할 수 있는 등의 우수한 특징을 갖고 있다.

마이크로파와 정자계의 상호 작용으로서, 고역 혼성 공명(Upper Hybrid Resonance, 이하 UHR이라고 칭함)이라고 하는 현상도 알려져 있다. 정자계와 수직인 방향으로 전파하며, 또한 마이크로파 전계가 정자계에 수직인 마이크로파 (X파라고 칭함)가 플라스마 중의 전자와 공명하여, 마이크로파의 에너지가 전자에 강하게 흡수되는 현상이다. ECR에 비해 약한 정자계에서 UHR은 발생하는 것이 알려져 있다. 이 현상을 적극적으로 활용한 플라스마 처리 장치의 공지예는 적지만, 종래예로서 이하의 발명이 있다.

일본국 특개 2019-110047호 공보

특허문헌 1에서는 대략 원통 형상 처리실의 중심축 방향과 대략 평행하게 정자계를 인가하고, 측면으로부터 마이크로파를 투입하고 있다. 또한 당해 마이크로파의 전계는 처리실의 중심축 방향에 대략 수직으로 하고 있다. 이들 시책에 의해, 처리실 내의 플라스마 중에 X파를 여기하여, UHR을 활용하고 있다. 또한 당해 처리실의 당해 정자계와 대략 수직이 되는 면의 한쪽에 피처리 기판을 설치하는 전극, 다른 쪽 면에 어스(earth) 전극(대향 어스라고 칭함)을 설치하고 있다. 이에 따라 후술하는 RF 바이어스를 효율적으로 피처리 기판에 인가할 수 있는 구성으로 하고 있다. ECR을 이용한 장치에 비해, 약한 정자계에서 공명을 일으킬 수 있기 때문에, 정자계를 발생시키기 위한 전자석에 의한 소비 전력을 저감할 수 있고, 전자석의 소형화가 가능하고 배치의 자유도가 증가하는 등의 이점이 있다.

또한 특허문헌 1에서는 대향 어스를 복수의 지주(支柱)로 유지하고, 이들 지주 등의 불연속부에 기인하는 마이크로파의 반사를 억제하기 위한 구조도 포함하는 마이크로파의 입체 회로계에 의해 처리실에 마이크로파를 효율적으로 투입하고 있다.

마이크로파를 이용한 플라스마 처리 장치에서는, 마이크로파의 발진기로서 마그네트론이 널리 사용되지만, 최근에는 고체 소자를 사용한 발진기도 사용되게 되었다. 고체 소자를 사용한 발진기에서는 발진 주파수나 출력이 마그네트론에 비해 안정되고, 각종 변조가 용이하게 가해지는 등의 이점이 있다. 또한 마이크로파 전력의 전송에 방형(方形) 도파관, 원형 도파관, 동축(同軸) 선로 등이 사용된다. 그 외 마이크로파 발진기를 보호하기 위한 아이솔레이터(isolator), 부하와의 임피던스 부정합을 방지하기 위한 자동 정합기를 조합하여 사용하는 경우가 많다.

또한 피처리 기판에 RF 바이어스 전력을 부여하여, 플라스마 처리의 품질을 높일 수 있다. 예를 들면 플라스마 에칭 처리의 경우, 주파수 400kHz 내지 13.56MHz 정도의 RF 바이어스에 의해, 이온과 전자의 질량차에 기인하는 직류 바이어스 전압을 피처리 기판에 생기게 하고, 이 직류 바이어스 전압으로 플라스마 중의 이온을 끌어들여, 가공 형상의 수직성이나 가공 속도를 높이는 등에 의해, 플라스마 처리의 품질을 높일 수 있다.

일반적으로 마이크로파의 전송 경로에 불연속부가 있으면, 반사파가 생긴다. 마이크로파를 플라스마 처리실에 투입하는 구조에 있어서도, 예를 들면 원형 도파관을 스텝 형상으로 확대하면 이것에 기인하여 반사파가 생긴다. 플라스마 처리실 내에 플라스마 균일성의 관점에서 최적인 전자계 분포를 실현하기 위한 구조가 복잡화하면, 각부(各部)에서 생기는 반사파의 영향으로 마이크로파 전력을 처리실 내에 효율적으로 전송할 수 없게 되는 경우가 있다. 그 때문에 구조는 최대한 단순화하는 것이 바람직하지만, 바람직한 전자계와의 양립이 어려워지는 경우가 많다. 대책으로서 상술한 정합기가 사용되지만, 부하와의 부정합의 정도가 너무 크면, 이것에 대응한 넓은 정합 범위의 확보가 어려워지는 경우가 있는 것 외에, 정합기와 부하 사이에 큰 정재파가 생겨서, 이로 인한 이상 방전이나 전력 손실이 문제가 되는 경우가 있다.

특허문헌 1에 개시된 실시예를 적용하면, 플라스마 생성 조건에 따라서는 플라스마가 처리실 측벽부의 근방에 과도하게 국재(局在)하여, 피처리 기판 근방의 플라스마 밀도가 낮아지는 경우가 있음을 알 수 있었다. 발명자 등이 이 원인을 조사한 결과, 의도하고 있던 마이크로파의 전파 모드의 비율이 낮고, 방위각 방향으로 다수의 변화를 하는 고차 모드의 비율이 커지는 경우가 있는 것이 원인이라고 판명했다. 의도하고 있던 마이크로파의 전파 모드는 방위각 방향의 변화 수(m이라고 칭함)가 1이었지만, 대향 어스의 유지에 사용하는 복수의 지주의 영향 등에 의해, m=5 등의 고차 모드가 많이 발생하는 경우가 있음을 알 수 있었다.

플라스마 처리실의 내부에 있어서의 플라스마 밀도의 균일성을 보다 향상시키기 위해서는, 마이크로파 입체 회로의 구조를 연구하여 m=1의 모드의 비율을 증가시키고, m이 큰 고차 모드의 비율을 감소시키는 것이 필요해진다.

본 발명은, 상기한 종래 기술의 과제를 해결하고, 처리실 내에서의 플라스마의 균일성을 보다 향상시키는 것을 가능하게 하는 플라스마 처리 장치를 제공하는 것이다.

상기한 과제를 해결하기 위해, 본 발명에서는, 피처리 기판을 재치(載置)하는 시료대를 내부에 구비한 시료실과, 시료실의 내부에 자계를 발생시키는 자계 발생 수단과, 마이크로파 전력을 발생시키는 마이크로파 전력원과, 이 마이크로파 전력원에서 발생한 마이크로파 전력을 반송하는 마이크로파 전력 반송부와, 이 마이크로파 전력 반송부에 의해 반송된 마이크로파 전력을 유전체창을 통해 처리실의 내부에 공급하는 마이크로파 입체 회로부를 구비한 플라스마 처리 장치에 있어서, 마이크로파 입체 회로부를, 마이크로파 전력 반송부에 의해 반송된 마이크로파 전력을 복수의 방위각 방향으로 분기하는 분기 회로부와, 이 분기 회로부의 주위에 배치되어 분기 회로부에서 복수의 방위각 방향으로 분기된 마이크로파 전력을 공진시키는 링 공진기와, 이 링 공진기에 접속하여 링 공진기로 공진시킨 마이크로파 전력을 유전체창을 통해 처리실의 내부에 공급하는 동축 선로부를 구비하여 구성했다.

본 발명에 따르면, 상기 구성의 마이크로파 입체 회로를 사용함으로써, m=1의 마이크로파를 동축 선로 내 및 플라스마 처리실 내에 여진할 수 있게 되어, 종래 기술과 비교하여 처리실 내에서의 플라스마의 균일성을 보다 향상시키는 것이 가능해졌다.

도 1은 종래 기술에 있어서의 마이크로파 플라스마 에칭 장치의 개략의 구성을 나타내는 정면의 단면도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 마이크로파 플라스마 에칭 장치의 개략의 구성을 나타내는 정면의 단면도이다.
도 3a는 본 발명의 실시예에 따른 마이크로파 플라스마 에칭 장치의 마이크로파 입체 회로를 나타내는 종단면도이다.
도 3b는 본 발명의 실시예에 따른 마이크로파 플라스마 에칭 장치의 마이크로파 입체 회로의 평면도이다.
도 4a는 본 발명의 실시예에 따른 마이크로파 플라스마 에칭 장치의 링 공진기의 전계 분포를 나타내는 링 공진기의 정면의 단면도이다.
도 4b는 본 발명의 실시예에 따른 마이크로파 플라스마 에칭 장치의 링 공진기의 전계 분포를 나타내는 링 공진기의 도 4a에 있어서의 M-M 단면을 화살표를 따라 본 도면이다.

본 발명은, 대략 원 기둥 형상의 플라스마 처리실을 구비하고, 마이크로파 전력을 당해 플라스마 처리실의 측면으로부터 투입하여 플라스마를 발생시키는 플라스마 처리 장치에 있어서, 마이크로파의 반경 방향으로 진행하는 마이크로파 전력의 비율이 작고, 생성되는 플라스마가 측면 내벽 부근에 과도하게 국재하여, 당해 플라스마 처리실의 중심축 부근의 플라스마 밀도가 낮아지는 경우가 있다는 과제를, 마이크로파의 방위각 방향으로의 진행을 억제하여 반경 방향의 진행 성분을 증가시키기 위해, 방위각 방향 의존성 m의 값이 1인 모드로 공진하는 링 공진기를 사용하여 마이크로파를 처리실에 투입하는 구성으로 함으로써 해결하여, 플라스마 처리실 내에서의 플라스마의 균일성을 보다 향상시키는 것을 가능하게 하는 플라스마 처리 장치를 실현한 것이다.

또한, 앞서 설명한 종래 기술에 있어서의 플라스마 처리 장치에서는, 플라스마 생성 조건에 따라서는 플라스마가 처리실 측벽부의 근방에 과도하게 국재하여, 피처리 기판 근방의 플라스마 밀도가 낮아지는 경우가 있다. 이에 대하여, 본 발명에서는, 마이크로파 입체 회로의 구조를 연구하여 m=1의 모드의 비율을 증가시키고, m이 큰 고차 모드의 비율을 감소시키는 구성을 가능하게 했다. 이에 따라, 본 발명에서는, 종래 기술에 있어서의 과제를 해결하고, 처리실 내에서의 플라스마의 균일성을 보다 향상시키는 것을 가능하게 하는 플라스마 처리 장치를 실현한 것이다.

특허문헌 1의 실시예에 개시되어 있는 종래 기술에 있어서의 플라스마 처리 장치의 구성을 도 1에 의해 설명한다. 이 종래 기술은, 에칭 처리를 행하는 플라스마 처리 장치(100)이다. 마이크로파원(0101)으로부터 발생한 주파수 2.45GHz의 마이크로파는, 도시하지 않은 아이솔레이터, 자동 정합기(0102)를 통해 방형 도파관(0103), 전송 방향을 90도 바꾸는 코너를 겸한 원형 직사각형 변환기(0104)를 통해, 원형 도파관(0106)에 전송된다. 원형 도파관(0106) 내에는 원편파(円偏波) 발생기(0105)가 장하(裝荷)되어 있다. 원편파 발생기(0105)는 직선편파로서 입사한 마이크로파를 원편파로 변환하는 기능을 갖는다. 마이크로파를 원편파화함으로써, 방위각 방향으로 균일한 플라스마를 생성할 수 있다. 또한 마이크로파는 확대부(0107)를 통해 동축 선로(0110)에 전송된다. 동축 선로(0110) 내에 마이크로파 전계 분포를 모식적으로 화살표로 표시하고 있다.

확대부(0107)의 하부에는 복수의 지주(0108)를 개재하여 외부에 고정된 대향 어스(0109)가 있다. 대향 어스(0109)의 하부, 동축 선로(0110)의 내측에 원 기둥 형상의 마이크로파 도입창(0111)이 있다. 마이크로파 도입창의 재질은 마이크로파에 대한 손실이 작고, 플라스마 내성이 있고 또한 플라스마 처리에 악영향을 미치기 어려운 것이 바람직하며, 석영을 사용했다.

확대부(0107)의 내부의 외주부에서 천장벽 및 측벽에 접하는 부분에는, 링 형상의 정합 부재(0119)가 배치되어 있다.

대향 어스(0109), 마이크로파 도입창(0111)으로 구성된 영역 부근이 플라스마 처리실(0112)이 된다. 플라스마 처리실 내에는 직경 300mm의 피처리 기판(0113)을 재치하기 위한 기판 전극(0114)이 있다. 기판 전극(0114)에는 RF 전원(0115)이 자동 정합기(0117)를 개재하여 접속되어, 피처리 기판(0113)에 RF 바이어스를 인가할 수 있다. RF 전원(0115)으로서 발진 주파수가 400kHz인 것을 사용했다. 추가로 이들 기구의 주위에는 요크를 구비한 다단의 솔레노이드 코일(0116)이 설치되어, 플라스마 처리실(0112) 내에 정자계를 가할 수 있다.

피처리 기판(0113)은 원판 형상이고, 이것에 대응하여 장치는 기본적으로 피처리 기판(0113)의 중심축과 축을 공유하는 축대칭인 구조로 하고 있다. 즉 대략 원 기둥 형상의 플라스마 처리실(0112)의 중심축과 동축에, 기판 전극(0114), 동축 선로(0110), 대향 어스(0109), 확대부(0107), 원형 도파관(0106), 및 솔레노이드 코일(0116)이 배치되어 있다.

그 외 플라스마 처리실(0112)에는 도시하지 않은 가스 공급계, 진공 배기계가 접속되어, 소정의 유량의 처리 가스를 소정의 압력을 유지하면서 공급 및 배기할 수 있다.

대향 어스(0109)는 외부 구조와 고정할 필요가 있는 것 외, 냉각 등의 온도 조정 기구, 또한 대향 어스부로부터의 가스 공급 기구를 내장하고 있고, 외부와 복수의 지주(0108)로 고정되어 있다. 냉매나 가스의 유로가 지주(0108) 내에 설치되어 있다. 또한 지주(0108)에 의해 대향 어스(0109)는 외부와 전기적으로 연결되어 있어, 전위의 안정화를 도모할 수 있다.

도 1에 나타내는 종래 예의 플라스마 처리 장치(100)에서 실험을 행하면, 플라스마 처리실(0112) 내에 발생한 플라스마는 주로 마이크로파 도입창(0111)의 내면 근방에 과도하게 국재하여, 처리실의 중심축 부근의 밀도가 낮아지는 경우가 있음을 알 수 있었다. 그 때문에 피처리 기판(0113)에 실시하는 플라스마 에칭 처리의 처리 속도가 늦어지는 경우가 있었다.

이 원인을 발명자가 검토한 결과, 투입한 마이크로파가 주로 방위각 방향으로 진행하여, 반경 방향으로 진행하는 성분의 비율이 작기 때문임을 알 수 있었다. 또한 마이크로파가 방위각 방향으로 진행하는 주된 원인은, 대향 어스(0109)를 유지하는 복수의 지주(0108)에 있음을 알 수 있었다. 지주(0108)는 대향 어스(0109)를 측면으로부터 반경 방향으로 지지하고 있고, 이 영향으로 방위각 방향의 의존성 m이 큰 성분이 여기되어 있음을 알 수 있었다.

일반적으로 경계가 없는 진공 중을 평면파로서 전파하는 마이크로파는 광속으로 전파하고, 파의 진행 방향에 대한 파장은 광속을 주파수로 나눈 값이 된다. 완전 도체 면이 공간 중에 있으면, 완전 도체 표면에 대하여 전계 벡터가 수직이 되는 경계 조건을 만족하도록, 마이크로파는 반사한다. 도파관 등으로 구성된 마이크로파의 입체 회로계에서는, 도파관 내벽을 완전 도체로서 해석할 수 있고, 경계 조건을 만족하도록 내벽에서의 반사를 반복하여, 각각의 파가 중첩하여 전자계 분포가 결정된다.

링 공진기 내에서도 상기와 마찬가지로, 내벽에서 반사를 반복하여, 내부의 마이크로파 전자계가 결정된다. 파의 진행 방향은 파수 벡터로 평가할 수 있고 원 기둥 좌표계(r, θ, z)로 생각하여, 반경(r) 방향, 방위각(θ) 방향, 높이(z) 방향의 각 성분을 갖는다. 후술하는 TM₁₁₀ 모드 링 공진기 내에서는, 파수 벡터는 z 성분이 제로이고, 반경 방향과 방위각 방향으로 전파하고, 높이 방향으로는 전파하지 않는다. 방위각 방향의 의존성 m은 방위각 방향의 1주(360도) 내에 파가 m 파장분 존재하는 것을 나타내고, m=1의 경우, 방위각 방향으로 1주기분의 변화를 나타낸다.

이상의 고찰에 기초하여, 방위각 방향의 의존성 m이 작은 성분을 처리실 내에 여기하는 마이크로파 입체 회로의 구조를 검토했다. 단 마이크로파의 플라스마 처리실(0112)로의 투입에 사용하는 원형 도파관(0106)의 최저차 모드가 m=1인 것을 고려하여, 처리실 내에 m=1의 마이크로파 전자계를 여기하는 구조를 검토했다.

이 검토 결과에 기초한 본 실시예에 따른 플라스마 처리 장치(200)의 구성을 도 2에 나타내고, 그 부분적인 상세한 구성을 도 3a 내지 도 4b를 사용하여 설명한다.

도 2에 나타낸 본 실시예에 따른 플라스마 처리 장치(200)의 구성에 있어서 도 1에 나타내는 종래 기술의 플라스마 처리 장치(100)와의 차이는, 마이크로파 전력을 플라스마 처리실(0112)에 투입하는 분기 회로(0202)와 링 공진기(0201), 동축 선로(0110), 중앙에 볼록 형상의 부분(0204)이 형성된 대향 어스(0203)를 구비하여 구성되는 마이크로파 입체 회로 부분이다. 분기 회로(0202)를 형성하는 정합 로드(0302), 정합 리지(0303), 위상 조정 수단(0304)에 대해서는, 도 3a 및 도 3b를 사용하여 설명한다. 그 이외의 구성에서 도 1과 동일한 부품 번호를 붙인 것은, 도 1에서 설명한 종래의 플라스마 처리 장치(100)의 구성과 동일하고, 본 실시예와 공통되는 부분에 대해서는 설명을 생략한다.

도 2에 나타낸 본 실시예에 따른 플라스마 처리 장치(200)의 구성에 있어서, 원편파 발생기(0105)에서 원편파화되어, 원형 도파관(0106)에서 전송된 마이크로파는, 원형 도파관(0106)의 직하에서 대향 어스(0203)의 볼록부의 상면(0204)에 형성된 분기 회로(0202)에서 분기되고, 대향 어스(0203)의 볼록부의 측면(0205)의 주위에 형성된 링 공진기(0201)를 여진한다. 또한 링 공진기(0201)에는 동축 선로(0110)가 접속되어 마이크로파 도입창(0111)을 통해 플라스마 처리실(0112)에 투입된다.

분기 회로(0202)와 그 주변의 상세를 도 3a와 도 3b를 사용하여 설명한다. 도 3a은 측면 단면도, 도 3b는 평면도이다. 분기 회로(0202)는 원형 도파관(0106)으로부터 전송된 마이크로파를 링 공진기(0201)에 전송하는 역할을 갖고, 위상 조정 수단(0304)에 의해 6분기된 방형 도파관(0301), 원형 도파관(0106)과 방형 도파관(0301) 분기부에서의 반사파를 억제하는 정합 로드(제1 정합부)(0302), 및 링 공진기(0201)와의 접속면 등에 의한 반사를 억제하는 정합 리지(제2 정합부)(0303)로 이루어진다.

방형 도파관(0301)은 6개의 위상 조정 수단(0304)에 의해 방위각 방향으로 균등하게 60도마다의 간격으로 분기되어 배치되고, 6방향으로 마이크로파 전력을 분기하고 있지만, 분기의 수는 3 이상의 정수이면 된다. 방형 도파관(0301)은 방형 도파관의 최저차 모드인 TE₁₀ 모드로 동작하는 치수로 했다.

정합 로드(0302)는 원형 도파관(0106)과 동축에 배치된 원통 형상으로, 직경과 높이를 최적화함으로써, 원형 도파관(0106)과 복수의 방형 도파관(0301)의 접속면에서의 반사파를 억제할 수 있다. 마찬가지로 정합 리지(0303)는 그 위치와 높이 및 폭을 조절하여 방형 도파관(0301) 이후의 불연속면에 기인하는 반사파를 억제할 수 있다.

이들 정합 로드(0302), 정합 리지(0303)의 형상 파라미터를 최적으로 조절함으로써, 원형 도파관(0106)으로부터 입사한 마이크로파 전력을 효율적으로 처리실 내까지 전송할 수 있다. 단, 마이크로파의 반사를 허용할 수 있는 경우에는 정합 로드(0302), 정합 리지(0303)는 생략해도 된다.

또, 링 공진기(0201)에 접속하고 있는 동축 선로(0110)의 내주 측에는 도 2에서 설명한 바와 같은 마이크로파 도입창(0111)이 장착되고, 동축 선로(0110)의 하면은 닫혀 있지만, 도 3a에 있어서는, 마이크로파 도입창(0111)의 표시를 생략하고, 동축 선로(0110)의 하면은 해방한 상태로 표시하고 있다.

일반적으로 공진기의 내부에서는 경계 조건을 만족하는 전자계만이 존재할 수 있다. 따라서 원하는 전자계에서 공진하는 공진기를 사용함으로써, 원하는 전자계를 얻을 수 있다. 본 실시예에서는 도 4a 및 도 4b에 나타내는 전계 분포 (TM₁₁₀ 모드라고 칭함)에서 공진하는 링 공진기(0201)를 사용했다. 이로 인해 원하는 m=1을 만족시키는 전자계를 얻을 수 있다.

도 4a는 종단면, 도 4b는 도 4a에 있어서의 M-M 단면을 화살표를 따라 본 도면을 나타낸다. TM₁₁₀ 모드는 최저차의 TE₁₀ 모드로 동작하는 1파장분의 길이의 방형 도파관을 링 형상으로 굴곡시킨 모드라고 생각할 수 있다.

도 4b에 나타내는 바와 같이 방위각 방향 일주로, 전계 벡터도 일주분의 변화를 나타내며, m=1의 모드로 되어 있다. 또한 파의 진행 방향을 나타내는 파수 벡터는 방위각 방향과 반경 방향 성분만을 갖고, 중심축과 평행 방향의 성분을 갖지 않는다.

따라서 TM₁₁₀ 모드 링 공진기의 공진 조건은 중심축과 평행 방향의 치수(도 4a 중의 H)에 의존하지 않고, 링의 내측 반경(도 4a 중의 a)과 외측 반경(도 4a 중의 b)에만 의존한다. 원형 도파관에는 원편파가 공급되고 있으므로, 도 4a 및 도 4b에 나타내는 링 공진기(0201) 내의 전자계는 방위각 방향으로 시간적으로 회전한다.

TM₁₁₀ 모드로 공진하는 링 공진기는 경계 조건을 고려한 결과, 이하의 식(수식 1)을 만족한다. 이 식(수식 1)을 풀음으로써 링 공진기의 치수를 구할 수 있다.

링 공진기(0201)의 하부에는 동축 선로(0110)가 접속되어 있고, 링 공진기(0201) 내에서 m=1의 모드로 조정된 마이크로파로 동축 선로(0110)가 여진된다. 상술한 특허문헌 1에 개시되어 있는 구성에서는, 대향 어스 유지를 위해 동축 선로부의 마이크로파 입사면 부근에 복수의 지주가 있고, 이 영향으로 m이 큰 파가 생겼다. 본 실시예에서는 동축 선로로부터 플라스마 처리실에 이르는 경로에 방위각 방향으로 불연속인 구조물은 없고, 링 공진기 내의 m=1 분포가 유지되어 동축 선로가 여진된다. 플라스마 처리실 내에도 방위각 방향에 불연속인 구조물은 없고, 마이크로파 도입창을 통해 m=1의 분포로 마이크로파는 처리실에 투입할 수 있다.

본 실시예에 따르면, 상기에 설명한 바와 같은 구성의 마이크로파 입체 회로를 사용함으로써, m=1의 마이크로파를 동축 선로 내 및 플라스마 처리실 내에 여진할 수 있게 되었으므로, 플라스마 처리실의 내부에 있어서의 플라스마 밀도의 균일성을 보다 향상시킬 수 있게 되었다.

이상, 본 발명자에 의해 이루어진 발명을 실시예에 기초해서 구체적으로 설명했지만, 본 발명은 상기 실시예에 한정되는 것이 아니고, 그 요지를 일탈하지 않는 범위에서 다양하게 변경 가능한 것은 말할 것도 없다. 예를 들면, 상기 실시예는 본 발명을 알기 쉽게 설명하기 위해 상세하게 설명한 것이고, 반드시 설명한 모든 구성을 구비하는 것에 한정되는 것은 아니다. 또한, 각 실시예의 구성의 일부에 대해서, 다른 구성의 추가·삭제·치환을 하는 것이 가능하다.

0101…마이크로파원, 0102…자동 정합기, 0103…방형 도파관, 0104…원형 직사각형 변환기, 0105…원편파 발생기, 0106…원형 도파관, 0107…확대부, 0108…지주, 0109…대향 어스, 0110…동축 선로, 0111…마이크로파 도입창, 0112…플라스마 처리실, 0113…피처리 기판, 0114…기판 전극, 0115…RF 전원, 0116…솔레노이드 코일, 0201…링 공진기, 0202…분기 회로, 0203…대향 어스, 0204…볼록 형상의 부분, 0301…6분기된 방형 도파관, 0302…정합 로드, 0303…정합 리지, 0304…위상 조정 수단

Claims (5)

1. 피처리 기판을 재치(載置)하는 시료대를 내부에 구비한 처리실과,
   상기 처리실의 내부에 자계를 발생시키는 자계 발생 수단과,
   마이크로파 전력을 발생시키는 마이크로파 전력원과,
   상기 마이크로파 전력원에서 발생한 상기 마이크로파 전력을 반송하는 마이크로파 전력 반송부와,
   상기 마이크로파 전력 반송부에 의해 반송된 상기 마이크로파 전력을 유전체창을 통해 상기 처리실의 내부에 공급하는 마이크로파 입체 회로부를 구비한 플라스마 처리 장치로서,
   상기 마이크로파 입체 회로부는,
   상기 마이크로파 전력 반송부에 의해 반송된 상기 마이크로파 전력을 복수의 방위각 방향으로 분기하는 분기 회로부와,
   상기 분기 회로부의 주위에 배치되어 상기 분기 회로부에서 복수의 방위각 방향으로 분기된 상기 마이크로파 전력을 공진시키는 링 공진기와,
   상기 링 공진기에 접속하여 상기 링 공진기로 공진시킨 상기 마이크로파 전력을 상기 유전체창을 통해 상기 처리실의 내부에 공급하는 동축 선로부를 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 플라스마 처리 장치.
2. 제1항에 있어서,
   상기 마이크로파 입체 회로부의 상기 분기 회로부와 상기 링 공진기는, 상기 분기 회로부의 주위에 등간격으로 배치된 복수의 방형(方刑) 도파관을 개재하여 접속되어 있는 것을 특징으로 하는 플라스마 처리 장치.
3. 제1항에 있어서,
   상기 마이크로파 전력 반송부는, 최저차인 TE₁₁ 모드의 상기 마이크로파 전력이 전파하는 원형 도파관을 개재하여 상기 분기 회로부와 접속되어 있고, 상기 원형 도파관의 중심축과 상기 분기 회로부의 중심축은 동축인 것을 특징으로 하는 플라스마 처리 장치.
4. 제1항에 있어서,
   상기 분기 회로부는, 상기 마이크로파 전력 반송부와 상기 분기 회로부가 접합하는 부분에 있어서의 반사파를 억제하는 제1 정합부와, 상기 분기 회로부와 상기 링 공진기의 접속면 등에 의한 반사를 억제하는 제2 정합부를 더 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 플라스마 처리 장치.
5. 제1항에 있어서,
   상기 분기 회로부는 설치되어 있고, 상기 분기 회로부의 일부가 상기 링 공진기의 일부를 형성하고 있는 것을 특징으로 하는 플라스마 처리 장치.