KR100262745B1 - 표면처리장치 - Google Patents

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KR100262745B1
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유키토 나카가와
겐이치 다카기
모아키 고이데토
츠토무 츠카다
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니시히라 순지
아네르바 가부시키가이샤
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Abstract

저 UHF대의 마이크로파를 사용하여 대면적의 대상물에 균일한 표면처리를 행할 수 있는 실용적 장치를 제공한다.
마이크로파 발생기(1)가 발생시킨 저 UHF대의 마이크로파는 공동공진기(2)내에서 TM10모드로 공진하고, 공동공진기(2)의 일부인 방사판(22)에 축대칭상으로 설치된 복수의 원형의 방사구멍(23)을 통하여 처리용기(3)에 마이크로파가 방사되고, 이 마이크로파에 의해 처리용기(3)내의 가스가 플라즈마화되고, 플라즈마에 의해 대상물로서의 기판(30)에 소정의 처리가 실시된다. 각 방사구멍(23)에는 그 방사구멍(23)을 기밀하게 막는 유전체제 덮개판(42)이 설치되어, 마이크로파를 투과시키면서 처리용기(3)의 기밀성을 유지한다.

Description

표면처리장치
본 발명은 대상물 표면에 플라즈마처리를 실시하는 표면처리장치에 관한 것으로, 드라이에칭, PECVD, 스퍼터와 같은 플라즈마처리로 반도체소자를 제작하는 플라즈마처리장치에 관한 것이다.
플라즈마를 사용하여 대상물 표면에 처리를 실시하는 것은 LSI(대규모 집적회로)와 같은 반도체 소자나 LCD(액정디스플레이)와 같은 표시장치를 제작할 때에 빈번하게 사용되고 있다.
대상물의 온도를 낮게 유지한 채 화학적으로 활성인 라디칼을 사용하여 효율적으로 표면반응을 진행시키는 방법으로서 비평형 플라즈마, 소위 저온 플라즈마가 널리 이용되고 있다. 이와 같은 저온 플라즈마를 생성하는 방식으로서 고주파에 의해 플라즈마를 생성하는 방식이 종래 채용되고 있다.
고주파를 사용하여 플라즈마를 생성하는 표면처리장치의 하나로서 마이크로파를 이용하는 것이 종래 개발되어 있다. 이 경우, 전자에 에너지를 주입하는 방법으로서 전자가 자장의 작용으로 사이클로트론 운동을 하는 주파수를 마이크로파의 주파수와 합치시켜서 공명상태로 하는 방법과, 마이크로파를 공동공진기에 도입하여 그 진폭을 크게 하는 방법이 있다.
이하, 본 발명에 관계되는 후자의 종래장치에 대하여 설명한다.
공동 공진기를 사용하는 표면처리장치의 종래예로는 우선 일본 특개소 56-96841호 공보에 개시된 것이 있다. 도 8은 이 일본 특개소 56-96841호 공보에 개시된 종래의 표면처리장치를 나타내는 도면이다.
이 공보에 개시된 표면처리장치에서는 마이크로파 발생기(1)가 발생시킨 마이크로파가 공동공진기(2)에 도입되어 공진한다. 이에 따라 생성된 플라즈마에 의해 처리용기(3)내의 기판재치대(31)에 재치된 기판(30)에 표면처리가 행해진다. 처리용기(3)에는 가스공급구(32) 및 배기구(33)가 설치되어 있다. 처리용기(3)내에 가스가 도입되어, 이 가스분위기중에 의해 상기 플라즈마를 생성한다.
이 도 8에 나타낸 종래의 표면처리장치에서는 공동공진기(2) 내부에서 플라즈마가 발생하기 때문에 플라즈마의 영향으로 공동공진기(2)의 공진조건이 변화되어 버린다. 그 결과, 플라즈마가 불안정하다는 결점이 있었다.
이 결점을 해결하기 위하여 다음에 등장한 것이 일본 특개평 8-246146호 공보 또는 일본 특공평 8-31444호 공보에 개시된 것이다. 도 9는 일례로서 일본 특공평 8-31444호 공보에 개시된 종래의 표면처리 장치를 나타내는 도면이다.
이 도 9에 나타낸 표면처리장치에서는 공동공진기(2)와 처리용기(3)사이에 유전체판(41)이 설치되어 양자를 구획하고 있다.
처리용기(3)의 상단개구 가장자리에는 도 9에 나타낸 바와같은 용기 플랜지(34)가 설치되어 있다. 가스공급구(32)는 이 용기 플랜지(34)에 형성되어 있다. 공동공진기(2)의 하단개구 가장자리는 이 용기플랜지(34)에 접합되어 있다. 양자의 접합부분에는 O링과 같은 시일부재(9)가 설치되어 있어 진공시일을 행하고 있다.
유전체판(41)은 금속제 플랜지(42)로 주위가 유지되어 있다. 금속제 플랜지(42)와 유전체판(41)은 납땜되어 기밀하게 접합되어 있다. 용기플랜지(34)와 금속제 플랜지(42)사이에는 틈새가 주상(周狀)으로 형성되어 있다. 이 틈새는 가스공급구(32)에서 공급되는 가스의 가스 저장소로서 형성되어 있다. 가스공급구(32)에서 공급되는 가스는 상기 틈새에 들어가서 주상으로 확산되게 되어 있다.
유전체판(41) 하측에는 가스확산판(50)이 설치되어 있다. 가스확산판(50)은 내부가 중공이고, 처리용기(3)내의 공간을 향하도록 도시하지 않은 가스분출구멍을 다수 균등하게 설치하고 있다. 상기 틈새를 주상으로 확산하는 가스는 이 가스확산판(50)내를 경유하여 처리용기(3)내로 분출한다.
유전체판(41)의 처리용기(3)측 표면에는 금속도금막(21)이 형성되어 있다. 금속도금막(21)은 2.45GHz의 마이크로파 파장의 절반이상의 길이의 슬릿형상으로 패턴화되어 있다. 공동공진기(2)내에서 공진하는 마이크로파는 금속도금막(21)을 통하여 처리용기(3)내로 방사되고, 그리고 처리용기(3)내의 가스분위기중에서 플라즈마가 생성된다.
최근의 표면처리장치에 대한 요구의 하나로 처리영역의 대면적화가 거론되고 있다. 이 요청은 반도체소자 제작의 경우에는 1매의 큰 반도체웨이퍼에서 산출되는 반도체회로 소자의 수를 많게 할 필요성에서 생긴다. LCD와 같은 표시장치의 경우에는 큰 표시화면의 표시장치를 만드는데 대형 유리기판을 사용하기 때문에 큰 처리영역이 필요하게 된다.
상기와 같은 마이크로파를 사용하여 플라즈마를 생성하는 표면처리장치에 있어서는 처리영역을 크게 하고자 할 경우 마이크로파의 주파수를 종래의 2.45GHz보다 낮게 하는 쪽이 바람직하다고 생각된다. 이는 이하와 같은 이유에 기초한다.
상기 공동공진기의 크기는 처리영역의 용량에 맞도록 결정된다. 처리영역이 커짐에 따라 공동공진기 용량도 커진다. 이 경우, 높은 주파수의 마이크로파에서는 공동공진기 크기에 대하여 마이크로파의 파장이 상대적으로 짧아진다. 공동공진기내에는 1파장이나 1.5파장이상의 복수의 산(山)이 형성된 상태로 마이크로파가 공진하게 된다. 이와같이 복수의 산이 형성되어 공진하는 마이크로파를 사용하여 플라즈마를 생성하면, 플라즈마 밀도가 불균일하게 되기 쉽다. 불균일한 플라즈마 밀도는 기판상의 처리를 불균일화한다. 따라서, 처리영역이 커짐에 따라 더 낮은 주파수의 마이크로파를 사용하는 쪽이 좋은 것이다.
이와같은 이유에서 본 발명자는 상기 종래의 2.45GHz의 마이크로파 보다 짧은 저 UHF대(300MHz∼1GHz)쪽이 유리하다고 생각하였다. 본 발명자는 이와같은 대역의 마이크로파를 사용하는 장치를 시작하였다. 도 10은 저 UHF대의 마이크로파를 사용하는 것으로서 발명자가 시작한 표면처리장치의 구조를 나타내는 정면도이다.
도 10에 나타낸 표면처리장치는 저 UHF대의 마이크로파를 발생시키는 마이크로파 발생기(1)를 가진다. 마이크로파 발생기(1)가 발생시킨 마이크로파가 동축선로(11)를 통하여 공동공진기(2)에 도입된다. 공동공진기(2)에는 유전체판(41)을 개재시켜 처리용기(3)가 접속되어 있다. 처리용기(3)에 가스공급구(32)에서 처리용기(3)내에 가스를 공급하는 가스공급계(5)를 가진다. 또한, 처리용기(3)에 배기구(33)에서 처리용기(3)내를 배기하는 배기계(6)를 가진다. 처리용기(3)내에는 기판재치대(31)가 설치되어 있다.
공동공진기(2)는 마이크로파가 TM(transverse magnetic)10모드로 공진하는 원통형 공진기이다. 원통의 축은 지면상의 상하방향이다. TM10모드는 전자계 분포가 완전히 축대칭이 되기 때문에 중심축에 대하여 수직인 면내에 대략 균일한 플라즈마를 생성한다. 이 면에 평행으로 기판(30)을 재치함으로써 기판(30)표면에 균일한 처리를 행할 수 있다.
도 10에 나타낸 장치에 있어서의 공동공진기(2)에서 처리용기(3)에 마이크로파를 방사시키는 구조가 도 9에 나타낸 장치와 다르다. 유전체판(41)의 공동공진기(2)측에는 공동공진기(2)의 벽부인 방사판(22)이 설치되어 있다.
방사판(22)은 금속제 판으로, 도 11에 나타낸 바와같이 축대칭상으로 복수의 원형구멍(23)을 설치하고 있다. 공동공진기(2)내에서 공진하는 마이크로파는 이 원형구멍(이하,「방사구멍」;23)을 통과함과 동시에 유전체판(41)을 투과하여 처리용기(3)내에 방사된다. 그리고 방사된 마이크로파는 처리용기(3)내에서 플라즈마를 발생시킨다.
도 9에 나타낸 종래의 표면처리장치나 도 10에 나타낸 시작품인 표면처리장치는 발명자의 검토결과 이하의 문제가 있음이 판명되었다.
대상물로서 대면적의 기판(30)을 처리할 경우, 그에 응하여 공동공진기(2) 용량도 커진다. 이 경우, 도 9나 도 10에 나타낸 장치에서는 공동공진기(2)의 대형화는 공동공진기(2)와 처리용기(3)를 격절(隔絶)하는 유전체판(41)의 대형화로 이어진다. 가령, 반도체 웨이퍼 직경이 300mm정도까지 커지면 처리용기(3)도 내경 400mm정도의 원통상으로 할 필요가 있다. 이 경우, 유전체판(41)도 직경 400mm정도의 원판상이 된다.
처리용기(3)내는 배기계(6)에 의해 배기되어 진공분위기가 되며, 한편 공동공진기(2)내는 대기압 그대로이다. 유전체판(41)에는 이 기압차에 의한 힘이 가해지게 된다. 이 경우, 직경 400mm정도의 크기가 되면, 이 기압차에 견디기 위하여 두께 30mm정도의 유전체판(41)을 사용할 필요가 있다. 그러나, 이와같이 두꺼운 유전체판(41)을 사용하면, 공동공진기(2)에서 방사되는 마이크로파가 유전체판(41)을 투과할때 감쇠되는 비율이 증대한다. 결과로서, 플라즈마 생성효율(주입하는 마이크로파 전력에 대하여 생성되는 플라즈마밀도의 비율)이 저하되어 버리는 문제가 있다.
유전체판(41)이 커질 경우, 유전체판(41)과 금속플랜지(42)의 납땜부분의 내열성 문제도 현재화(顯在化)된다. 유전체판(41)과 금속플랜지(42)의 납땜부분은 납땜할 때에 1000℃정도까지 가열된다. 처리용기(3)내에 플라즈마가 생성될 때, 플라즈마로부터의 열에 의해서도 가열된다.
유전체판(41)과 금속플랜지(42)는 열팽창률이 다르므로 유전체판(41)이 커지면 납땜부분의 면적도 커지고, 양자의 열팽창량의 차가 커지게 된다. 이 결과, 납땜부분이 박리되거나 틈새가 생기거나 하여 진공시일이 손상되는 문제가 있다. 이를 방지하기 위해서는 납재의 양을 많게 하여 정성들여 납땜할 필요가 있다. 그러나 너무 납재를 많게 하면, 유전체판(41)에의 열응력이 커져서 유전체(4)에 크랙이 발생되거나 할 우려가 있다. 납땜작업의 곤란성이 증가한다.
본 발명은 이와같은 문제를 해결하기 위하여 행해진 것으로, 저UHF대의 마이크로파를 사용함으로써 큰 영역에 균일한 플라즈마를 생성하여 대면적의 대상물에 균일한 표면처리를 행할 수 있는 실용적 장치를 제공함을 목적으로 한다.
도 1은 본 발명의 실시형태에 관한 표면처리장치를 나타내는 정면도,
도 2는 도 1에 나타낸 장치의 방사판을 나타내는 평면도,
도 3은 TM10모드의 공진에 대하여 나타내는 모식도로서, 도 3a는 공동(空胴)공진기(2)의 축방향 단면도, 도 3b는 축에 수직인 방향으로의 단면도,
도 4는 도 1의 장치에 장착된 덮개판을 나타내는 정면단면도,
도 5는 본 발명의 제 2실시형태의 장치에 있어서의 덮개판을 나타내는 정면단면도,
도 6은 본 발명의 제 3실시형태의 표면처리장치를 나타내는 정면도,
도 7은 본 발명의 제 4실시형태의 표면처리장치를 나타내는 정면도,
도 8은 일본 특개소 56-96841호 공보에 개시된 종래의 표면처리장치를 나타내는 도면,
도 9는 일본 특공평 8-31444호 공보에 개시된 종래의 표면처리장치를 나타내는 도면,
도 10은 저 UHF대의 마이크로파를 사용하는 것으로서 발명자가 시작(試作)한 종래의 표면처리장치의 구조를 나타내는 정면도,
도 11은 도 1에 나타낸 장치의 방사판을 나타내는 평면도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *
1:마이크로파발생기 2:공동공진기
22:방사판 23:방사구멍
25:중심도체 26:조절판
3:처리용기 30:기판
31:기판재치대 32:가스공급구
33:배기구 42:덮개판
43:장착플랜지 5:가스공급계
6:배기계 7:고주파전원
9:시일(seal)부재
상기 과제를 해결하기 위하여 청구항 1에 기재된 발명의 표면처리장치는 300MHz내지 1GHz의 저 UHF대의 마이크로파를 발생시키는 마이크로파 발생기와, 이 마이크로파 발생기가 발생시킨 마이크로파가 도입되어 TM10모드로 공진하는 공동공진기를 가진다. 공동공진기는 처리용기를 접속한 부분에 설치된 방사판을 가진다. 이 방사판은 공동공진기의 축에 대하여 대칭으로 설치된 원형의 방사구멍을 복수 가지고 있다. 방사구멍에서 처리용기를 향하여 마이크로파가 방사된다. 방사구멍 각각에는 방사구멍을 기밀하게 막는 유전체제 덮개판이 설치되어 있다.
또한, 표면처리장치는 공동공진기에 접속된 기밀한 처리용기를 가진다. 처리용기는 처리용기내에 가스를 공급하는 가스공급계와 처리용기내를 배기하는 배기계를 가진다. 공동공진기에서 방사된 마이크로파에 의해 처리용기내에 플라즈마를 발생한다. 처리용기내에 배치한 대상물에 대하여 이 플라즈마에 의해 희망하는 처리를 행한다.
또, 상기 과제를 해결하기 위하여 제 2발명은 공동공진기가 리엔트런트형(re-entrant form)이다.
그리고 또 상기 과제를 해결하기 위하여, 제 3발명은 공동공진기 중심축에서 복수의 방사구멍 중심점까지의 거리는 공동공진기 반경의 70±10%범위내로 되어 있다.
또한, 상기 과제를 해결하기 위하여 제 4발명은 복수의 방사구멍 각각에 대하여 방사구멍의 일부를 막아서 공동공진기와 처리용기의 마이크로파 결합도를 조절하는 금속제 조절판이 설치된다.
발명의 실시형태
이하, 본 발명의 실시형태에 대하여 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시형태에 관한 표면처리장치를 나타내는 정면도, 도 2는 도 1에 나타낸 장치의 방사판 평면도이다.
도 1에 나타낸 표면처리장치는 저UHF대의 마이크로파를 발생시키는 마이크로파 발생기(1)를 가진다. 마이크로파 발생기(1)가 발생시킨 마이크로파가 동축선로(11)를 통하여 공동공진기(2)에 도입된다. 공동공진기(2)는 기밀한 처리용기(3)를 접속하고 있다. 처리용기(3)는 가스공급구(32)에서 처리용기(3)내에 가스를 공급하는 가스공급계(5)를 가진다. 또한, 처리용기(3)는 배기구(33)에서 처리용기(3)내를 배기하는 배기계(6)를 가진다. 처리용기(3)는 그 안에 기판재치대(31)를 가진다.
마이크로파 발생기(1)로는 마그네트론원(源)이 많이 채용되고, 주파수는 저UHF대, 가령 500MHz이다. 또, 마이크로파 발생기(1)의 출력은 2kW정도가 된다.
동축선로(11)는 마이크로파를 전송하는 2선회로이며, 내도체(內導體)와 이를 둘러사는 동축상 외도체로 구성된다. 내도체와 외도체 사이에는 필요에 따라 유전체가 충전된다. 공동공진기(2)에의 접속부분에는 결합용 루프(12)가 설치되어 있다. 마이크로파는 결합용 루프(12)를 통하여 공동공진기(2)에 도입된다.
공동공진기(2)는 알루미늄 또는 스테인레스와 같은 금속으로 된 원통상 용기이다. 이 공동공진기(2)는 마이크로파 발생기(1)가 발생시키는 마이크로파가 최저차(最低次)의 TM10모드로 공진하는 원통형 공진기이다. 이 모드의 공진주파수는 a를 공동반경으로 하여 다음 식으로 계산된다.
λO= 2.61a = c/fO
이 식에서 a=200mm일때, fO=575MHz가 된다. 또한, c는 진공중의 광속도, λO는 마이크로파의 파장이다.
도 3은 TM10모드의 공진을 나타내는 모식도이다. 도 3중의 도 3a는 공동공진기(2)의 축방향 단면도, 도 3b는 축에 수직인 방향으로의 단면도이다. 도 3중, E는 전계, H는 자계, i는 전류를 표시한다. 이 도 3에 나타낸 바와같이, TM10모드에서는 전자계 분포는 축대칭이어서, 축대칭성이 좋은 균일한 플라즈마가 형성된다.
도 3a에 나타낸 바와같이, TM10모드에서는 전계의 방향이 축방향이고, 도 3b에 나타낸 바와 같이 자계의 방향이 둘레방향이 된다. 고주파 전류는 어느 순간에 있어서, 공동공진기 하판부분에서 중심에서 주변을 향하여 방사상으로 흐른 후, 측판부분을 상방을 향하여 흐르고, 그리고 상판부분을 주변에서 중심을 향하여 흐른다.
상기와 같은 공동공진기(2)의 처리용기(3)측에 방사판(22)이 설치되어 있다. 이 방사판(22)은 도 9와 도 10에 나타낸 장치와 동일하게 원형의 방사구멍(23)을 축대칭적으로 복수 가지고 있다. 도 2에 나타낸 바와 같이 이 실시형태에서 방사판(22)은 중심축과 동심원주상에 등간격으로 6개의 방사구멍(23)을 가지고 있다. 단, 6개에 한할 필요는 없고, 4, 8, 10 또는 12…개라도 좋다.
각 방사구멍(23)은 공동공진기(2)내에서 공진하는 마이크로파를 처리용기(3)에 방사시키는 것이다. 각 방사구멍(23)의 직경은 최대라도 공동공진기(2)의 반경이하이므로 1/4파장 이하이다.
방사구멍(23)의 형성위치는 마이크로파 생성효율면에서 중요하다. TM10모드로 공진하는 원통형 공동공진기(2)의 경우, 둘레방향의 자계강도는 중심축에서 공동반경의 약 7할의 곳에서 최대가 된다. 따라서, 플라즈마 생성효율을 최대로 하기 위하여 방사구멍(23)은 그 중심점이 공동공진기(2)중심축에서 공동공진기(2) 반경의 70±10% 범위내가 바람직하다.
도 4는 도 1의 장치에 장착된 덮개판(43)을 나타내는 정면 단면도이다. 방사구멍(23)에는 방사구멍(23)을 기밀하게 막는 유전체제 덮개판(43)이 설치되어 있다.
도 2로 알 수 있는 바와같이 덮개판(43)은 원형판으로, 재질은 석영유리 또는 알루미나로 형성된다. 이 덮개판(43)은 방사구멍(23)의 지름 보다 조금 작은 지름의 것이다. 도 4에 나타낸 바와같은 장착플랜지(44)에 의해 덮개판(43)은 방사판(22)에 장착되어 있다.
장착플랜지(44)는 알루미늄 또는 스테인레스와 같은 금속제로서, 덮개판(43)의 측단면에 납땜되어 있다. 장착플랜지(44) 상단부분은 외측을 향하여 절곡된 칼라 모양의 형상으로 되어 있다.
방사구멍(23)의 가장자리에는 도 4에 나타낸 바와같이 단차가 설치되어 있고, 장착플랜지(44)의 칼라모양 부분이 이 단차상에 얹혀 있다. 칼라모양 부분이 방사판(22)에 대하여 기압차에 의한 힘으로 가압됨으로써 장착플랜지(44)를 통하여 덮개판(43)이 방사판(22)에 유지되어 있다.
장착플랜지(44)의 칼라모양 부분과 방사판(22)사이에는 O링과 같은 시일부재(9)가 설치되어 있다. 이 시일부재(9)로 방사구멍(23)부분의 진공시일이 달성된다.
도 1로 돌아가서, 본 실시형태의 장치의 기타구조에 대하여 설명한다.
처리용기(3)는 가스공급구(32) 및 배기구(33)를 가진다. 처리용기(3)의 상단개구 가장자리에는 용기플랜지(34)가 설치되어 있고, 가스공급구(32)는 이 용기플랜지(34)에 형성되어 있다.
도 1에 나타낸 바와같이 용기플랜지(34)와 방사판(22) 단면 사이에는 틈새가 형성되어 있다. 이 틈새는 가스공급구(32)에서 공급되는 가스의 가스저장소로 형성되어 있다. 가스공급구(32)에서 공급되는 가스는 상기 틈새에 들어가 주상으로 확산한다.
공동공진기(2) 측면에는 플랜지부(24)가 형성되어 있다. 이 플랜지부(24)가 용기플랜지(34)에 기밀하게 접속되어 있다. 플랜지부(24)와 용기플랜지(34)사이에는 O링과 같은 시일부재(9)가 설치되어 진공시일을 달성하고 있다.
가스공급계(5)는 도시하지 않은 가스봄베와 가스공급구(32)를 잇는 배관(51), 배관에 설치된 밸브(52) 및 도시하지 않은 유량조정기를 가진다.
배기구(33)는 처리용기(3)의 저면부분에 설치되어 있다. 배기구(33)에서 처리용기(3)내를 배기하는 터보분자펌프와 같은 진공펌프를 가진다. 배기계(6)는 처리용기(3)내를 1∼10-3Torr정도의 압력으로 배기한다.
이와같은 처리용기(3)는 알루미늄 또는 스테인레스와 같은 금속으로 형성되어 있는 공동공진기(2)와 거의 같은 내경의 원통상 용기이다. 처리용기(3)내의 대략 중앙에는 처리대상물인 기판(30)을 재치하는 대(31)가 설치되어 있다. 기판재치대(31)는 스테인레스와 같은 금속제이고, 지주(311)에 의해 지지되어 있다. 지주(311)는 처리용기(3)저면을 기밀하게 관통하고 있다.
이 기판재치대(31)는 기판(30)에 일정한 바이어스 전위를 인가하는 전극의 역할도 겸하고 있다. 기판재치대(31)는 처리용기(3)밖에 설치된 고주파 전원(7)에 접속되어 있다. 고주파전원(7)이 부여하는 고주파전압과 플라즈마의 상호작용으로 기판재치대(31)상의 기판(30)에 플라즈마에 대하여 음의 바이어스전위가 생긴다. 기판재치대(31) 및 지주(311)를 가리도록 하여 절연체(312)가 설치되어 있어, 접지되는 처리용기(3)에서 절연하고 있다.
다음에, 도 1 장치의 동작을 설명한다.
기판(30)은 처리용기(3)에 설치된 도시하지 않은 게이트밸브를 통하여 처리용기(3)내에 반입되어 기판재치대(31)상에 재치된다. 기판재치대(31)내에는 필요에 따라 정전흡착기구가 설치되어 기판(30)을 정전흡착한다.
가스도입계(5)에 의해 가스를 가스공급구(32)를 통하여 처리용기(3)내에 공급하면서 배기계(6)에 의해 처리용기(3)내를 배기하고, 처리용기(3)내를 설정압력으로 유지한다. 이 상태로 마이크로파 발생기(1)가 저UHF대의 마이크로파를 발생시킨다. 마이크로파는 동축선로(11)에 의해 전송되어 공동공진기(2)에 도입된다.
마이크로파는 공동공진기(2)내에서 TM10모드로 공진하면서, 덮개판(43)으로 막아진 방사판(22)의 방사구멍(23)을 통하여 처리용기(3)내에 방사된다. 방사된 마이크로파는 처리용기(3)내에 공급된 가스에 그 에너지를 주입하여 플라즈마가 생성된다.
그 플라즈마를 이용하여 기판(30) 표면에 소망하는 처리가 실시된다. 가령, 플라즈마 반응이온에칭을 행할 경우에는 플라즈마중에서 활성종(種), 가령 플루오르계 활성종을 생성하는 가스를 공급하여 활성종으로 기판(30)을 에칭한다. 또, 플라즈마 CVD(화학증착)를 행할 경우, 플라즈마중에서 분해반응을 일으키는 원료가스를 공급하여 기판(30)상에 소망의 박막을 퇴적시킨다.
본 실시형태에 있어서와 같은 저온플라즈마에서는 플라즈마의 전자온도는 낮고, 기판(30)에 입사하는 이온의 가속전압이 되는 플라즈마 전위도 통상 20∼30V정도이다. 이 경우, 고주파 전원(7)에 의해 기판(30)에 바이어스 전압을 발생시킨다. 플라즈마중에서 이온이 인출되어 기판(30)에 충돌하는 것이 촉진된다. 비교적 큰 에너지를 필요로 하는 반응성 이온에칭의 경우에 적합하다.
상기 동작에 있어서 도 1에 나타낸 바와같이 기판재치대(31) 상면은 방사판(22)에 대하여 평행으로 되어 있다. 방사판(22)과 기판재치대(31) 사이의 전계는 기판(30)에 대하여 수직이 되어, 기판(30)에의 이온입사량이 균일하게 된다. 기판재치대(31) 상면과 방사판(22)의 평행관계는 기판(30)에 대한 균일처리에 공헌한다.
상기 본 실시형태의 장치는 덮개판(43)으로 방사판(22)의 방사구멍(23)을 기밀하게 막음으로써 공동공진기(2)와 처리용기(3)의 기밀한 격절을 달성하고 있다. 하나 하나의 덮개판(43)은 도 9에 나타낸 유전체판(41)에 비해 상당히 작게 될 수 있다. 하나 하나의 덮개판(43)에 요구되는 기계적 강도는 도 9에 나타낸 유전체판(41)에 비해 상당히 낮아서, 두께를 상당히 얇게 할 수 있다.
가령, 공동공진기(2)가 동일하게 내경 400mm정도일 경우, 하나의 덮개판(43)은 직경 100mm정도로 족하고, 그 두께는 7mm정도로 족하다. 따라서, 덮개판(43)을 투과할때의 마이크로파의 감쇠는 도 9에 나타낸 유전체에 비해 상당히 작아서 플라즈마 생성효율이 크게 개선된다. 마이크로파 발생기(1)의 출력이 2kW인 경우, 플라즈마중의 이온 전류밀도는 20mA/㎠정도로, 도 9에 나타낸 종래 시작장치에 비해 약 10%정도 높은 값이었다.
다른 기술적으로 유효한 효과로서, 덮개판(43)을 장착플랜지(44)에 납땜할 때의 납땜부분 면적이나 열팽창량 차도 도 9의 종래장치에 비해 상당히 작다. 열팽창량 차에 기인하는 납땜부분의 박리나 피크문제도 저감되고, 납땜작업도 대단히 쉬워진다.
다음에, 본 발명의 다른 실시형태에 대하여 설명한다.
도 5는 본 발명의 제 2실시형태의 장치에 있어서의 덮개판(43)을 나타내는 정면단면도이다.
도 5에 나타낸 실시형태에서는 장착플랜지(44)는 사용되지 않고, 덮개판(43)은 방사구멍(23)에 단순히 끼워져 있다. 방사판(22)의 방사구멍(23)은 덮개판(43)의 외경에 적합한 크기의 단차를 가지고 있다. 마치 이 단차상에 덮개판(43)이 직접 떨어진 상태로 되어 있다. 덮개판(43)과 단차 사이에는 시일부재(9)가 설치되어 진공시일을 달성하고 있다.
도 5에 나타낸 실시형태에서는 장착플랜지(44)를 사용하지 않으므로 제작이 용이하고 제작비도 내려간다. 단, 시일부재(9)로서 O링을 사용할 경우, O링이 덮개판(43)을 통하여 마이크로파에 노출되어 열화되는 문제가 있다. 따라서, 이 도 5에 나타낸 실시형태의 구성은 마이크로파의 전력이 작을 경우에 적합하다. 만일 시일부재(9)로서 가스켓과 같은 금속제 시일부재를 사용하면 상기 문제가 경감된다.
도 6은 본 발명의 제 3실시형태의 표면처리장치를 나타내는 정면도이다. 이 도 6에 나타낸 실시형태에서는 리엔트런트형 공동공진기(2)가 사용되고 있다.
리엔트런트형 공동공진기(2)는 동축형 공진기의 중심도체를 짧게 한 것으로,그 공진주파수는 중심도체(25)의 길이(도 6의 L1 및 L2)에 따라 조정가능하다.
상기와 같이 공동공진기(2)의 크기는 공진을 달성하는 조건으로서 중요한 파타미터이나, 공진주파수가 고정되어 있으면 그에 따라 공동공진기 크기도 고정되어 버린다. 공동공진기(2)의 크기는 플라즈마를 형성하는 영역을 결정해버린다. 따라서, 공동공진기(2)의 크기는 처리하는 기판(30)의 크기에 따라 제약을 받는다. 기판(30)의 크기에 맞도록 설계하면 공동공진기(2)의 공진주파수가 희망하는 값에서 빗나갈 경우가 있다. 마이크로파 발생기(1)에 대해서도 발진가능한 주파수가 한정되어 있는 경우가 있어 그와 같은 발진가능한 주파수에 공진주파수를 맞추어둘 필요가 있다.
도 6에 나타낸 실시형태는 이와같은 사정을 감안하여 이루어진 것이다. 중심도체(25)의 길이를 적절히 설정함으로써 공진주파수를 조정할 수 있게 하고, 공동공진기(2) 크기나 마이크로파 발진기(1)의 발진주파수 설계의 자유도를 증가시키고 있다.
중심도체(25)는 원주상 부재로서, 공동공진기(2)와 동일한 금속으로 형성된다. 공동공진기(2) 내경이 350mm, 마이크로파 발생기(1)의 발진주파수가 500MHz인 경우, 중심도체(25)는 길이(L1+L2) 100mm이고 굵기 70mm정도가 된다. 이들의 설정에 따라 공진상태를 얻을 수 있다.
도 7은 본 발명의 제 4실시형태의 표면처리장치를 나타내는 정면도이다. 이 도 7에 나타낸 장치에서는 복수의 방사구멍(23) 각각에 대하여, 방사구멍(23)의 일부를 막아서 공동공진기(2)와 처리용기(3)의 마이크로파 결합도를 조절하는 금속제 조절판(26)이 설치되어 있다.
상기 각 실시형태의 장치에 있어서 공동공진기(2)내에서 공진하는 마이크로파는 방사구멍(23)을 통하여 처리용기(3)에 방사된다. 이것은 공동공진기(2)내의 마이크로파와 처리용기(3)에 방사된 마이크로파가 방사구멍(23)을 통하여 도입하고 있는 것을 의미한다.
처리용기(3)내에 방사된 마이크로파에 의해 플라즈마가 생성되면, 처리용기(3)내의 공간임피던스가 변화한다. 이 임피던스 변화는 방사구멍(23)을 통과한 마이크로파 결합을 통하여 공동공진기(2)내의 공진조건에도 영향을 준다. 방사구멍(23)을 통과한 마이크로파의 결합정도가 클 수록 처리용기(3)내에 큰 전력이 주입되므로 플라즈마 생성효율이 높아진다. 마이크로파의 결합정도가 크면, 플라즈마 생성 상태에 의해 공동공진기(2)의 공진조건이 변화하는 비율도 높아져 버린다.
방사구멍(23)을 통과한 마이크로파 결합정도의 크기는 이와같은 사항을 감안하여 적절히 설정되게 된다. 이 경우, 본 실시형태의 조절판(26)은 이 결합도 설정시에 유효하다. 각종 크기의 조절판(26)을 준비하여 순차교환하면서 장치를 동작시키고, 그 때의 플라즈마 생성효율을 측정함으로써 결과적으로 플라즈마 생성효율이 최대가 되는 결합도를 선정할 수 있다.
본 실시형태에서는 원형판 1매가 조절판(26)으로 사용되었으나 각 방사구멍(23) 주변부분을 막는 링상 판을 각 방사구멍(23)에 설치하여도 된다. 또한, 카메라 조리개에 사용되고 있는것과 같은 개구 크기를 연속적으로 조절할 수 있는 기구를 채용하여도 된다.
본 발명은 서두에 설명한 바와 같이, 비평형 플라즈마, 이른 바 저온플라즈마를 사용하여 표면반응을 진행시킬 경우에 이용되나, 이에 한정되는 것은 아니고, 기타의 플라즈마를 사용하거나, 기타의 표면처리를 행할 경우에도 유효하다는 것은 말할 나위도 없다.
이상 설명한 바와같이 제 1발명에 따르면, 저UHF대의 마이크로파를 사용하기 때문에, 처리영역이 커질 경우라도 균일한 표면처리를 행할 수 있다. TM10모드로 공진하는 공동공진기를 사용하기 때문에 더욱 균일한 표면처리가 가능해진다. 공동공진기와 처리용기가 분리되어 공동공진기내와는 다른 장소에서 플라즈마가 생성되므로 플라즈마 유무에 따른 공진조건 변화가 작을 수 있다. 공동공진기와 처리용기의 마이크로파 결합이 축대칭적으로 형성된 복수의 원형 방사구멍을 통하여 행해진다. 이 사실도 균일한 플라즈마에 따른 균일한 표면처리에 공헌하고 있다. 또한 마이크로파의 투과와 처리용기의 기밀화를 양립시키는 유전체제의 부재로서 각 방사구멍을 막는 덮개판이 채용되고 있다. 유전체 부분에 있어서의 마이크로파 감쇠를 작게할 수 있어 플라즈마 생성효율이 향상된다.
제 2발명에 따르면, 상기의 기술적으로 유효한 효과에 더하여 공동공진기가 리엔트런트형이기 때문에 공동공진기의 크기나 마이크로파 발생기의 발진주파수 설계에 대하여 자유도가 증가한다.
제 3발명에 따르면, 방사구멍이 최적위치에 형성되기 때문에 공동공진기에서 처리용기에 마이크로파가 효율좋게 방사된다. 그 결과, 플라즈마 생성효율이 더욱 향상된다.
제 4발명에 따르면, 각 방사구멍의 일부를 막고 공동공진기와 처리용기의 마이크로파 결합도를 조절하므로 플라즈마 생성효율이 최대가 되는 결합도를 용이하게 설정할 수 있다.

Claims (4)

  1. 300MHz내지 1GHz의 저UHF대의 마이크로파를 발생시키는 마이크로파 발생수단, 이 마이크로파 발생기에서 도입된 마이크로파가 TM10모드로 공진하는 공동공진수단 및 공동공진기에 접속된 기밀한 처리용기를 가지고, 여기서 공동공진수단은 상기 처리용기를 접속한 부분에 설치된 방사판을 가지고, 이 방사판은 공동공진수단의 축에 대하여 대칭으로 설치된 원형의 방사구멍을 복수 가지고, 또한 방사구멍 각각에는 그 방사구멍을 기밀하게 막는 유전체제 덮개판을 가지는 것을 특징으로 하는 표면처리장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 공동공진수단이 리엔트런트형인 것을 특징으로 하는 표면처리장치.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 공동공진수단의 중심축에서 상기 복수의 방사구멍 중심점까지의 거리는 공동공진수단 반경의 70±10% 범위내로 되어 있는 것을 특징으로 하는 표면처리장치.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 복수의 방사구멍 각각에 대하여 그 방사구멍의 일부를 막아서 공동공진수단과 처리용기의 마이크로파 결합도를 조절하는 금속제 조절수단을 가지는 것을 특징으로 하는 표면처리장치.
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