KR100978407B1 - 플라즈마 처리 장치 - Google Patents

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KR100978407B1
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쥰 야마시타
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도쿄엘렉트론가부시키가이샤
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Abstract

챔버(1)의 내주측의 복수 개소에 균등하게 형성된 가스 토출구(15)는, 가스 도입로(14)를 거쳐서 하부 챔버(2)의 상단과, 덮개부(30)의 상측 플레이트(27)의 하단과의 접면부에 있어서, 단부(18)와 단부(19)에 의해서 형성된 간극인 고리 형상 연통로(13)에 접속해 있다. 고리 형상 연통로(13)는 각 가스 도입로(14)로 가스를 균등 배분하여 공급하는 가스 분배 수단으로서의 기능을 갖고, 하부 챔버(2)의 벽 내의 임의의 개소에서 연직 방향으로 형성된 가스 통로(12), 가스 도입구(72)를 거쳐서 가스 공급원(16)과 접속되어 있다.

Description

플라즈마 처리 장치{PLASMA PROCESSING APPARATUS}
본 발명은 플라즈마 처리 장치에 관한 것으로, 상세하게는, 플라즈마를 이용하여 반도체 기판 등의 피처리체를 처리하기 위한 플라즈마 처리 장치에 관한 것이다.
플라즈마 처리 장치로서, 방사상 라인 슬롯 안테나(Radial Line Slot Antenna)에 의해 처리실 내에 마이크로파를 도입하여 플라즈마를 생성시키는 RLSA 방식의 플라즈마 처리 장치가 알려져 있다(예컨대, WO98/33362호). 이 RLSA 방식의 플라즈마 처리 장치는, 내부에 피처리체를 탑재하는 탑재대를 구비한 원통 용기와, 슬롯판 및 도파 유전체로 이루어지는 마이크로파를 방사하기 위한 안테나부를 구비하고, 원통 용기의 상단에 상기 안테나부를 탑재하여, 밀봉 부재에 의해서 접합부를 밀봉함으로써, 진공 챔버를 구성하고 있다.
RLSA 방식의 플라즈마 처리 장치에 있어서 최적의 처리를 실시하기 위해서는, 진공 챔버 내의 플라즈마 형성 공간에 균질하게 플라즈마를 형성할 수 있도록, 플라즈마를 발생시키기 위한 처리 가스를 진공 챔버 내에 균등하게 도입하는 것이 필요하다. 종래, 진공 챔버로의 처리 가스의 도입 방법으로서, 예컨대 상기 특허 문헌 1에서는, 진공 챔버의 측벽을 관통하는 가스 도입부를 마련하고, 거기에 외부의 처리 가스 공급원을 접속하여 처리 가스의 도입을 도모하는 방법이 일반적이다.
그러나, 진공 챔버의 측벽에 1개소의 가스 토출구를 형성하여 처리 가스를 도입하는 방식에서는, 처리 가스를 진공 챔버 내의 플라즈마 형성 공간에 균일하게 토출시키는 것이 어려워서, 균일한 플라즈마의 형성이 곤란하게 된다.
또한, 진공 챔버 내로의 균일한 가스 도입을 도모할 목적으로, 진공 챔버 측벽의 복수 개소에 가스 토출구를 마련하여 가스를 공급하는 방식에서는, 진공 챔버의 주위에 가스 공급관을 배치해야 하기 때문에, 충분한 설치 공간이 필요하게 되는 것이나, 기판의 반입출을 방해하지 않도록 하기 위해서 배관이 복잡하게 되는 등, 설치상의 제약을 수반한다. 또한, 일정 유량으로 공급되는 처리 가스를 진공 챔버 내에 균등하게 토출시키기 위해서는, 처리 가스 공급 경로에 있어서의 압력 손실이 동등하게 되도록 고려해야 한지만, 외부 배관의 경우에는, 가스 공급원으로부터 각 가스 토출구까지의 가스 공급관의 길이를 가지런히 하기 곤란하여, 압력 손실에 차가 발생한다.
발명의 개시
본 발명의 목적은, 진공 챔버 내로 처리 가스를 균등하게 공급하는 것이 가능하고, 외부 배관을 간소화 가능한 플라즈마 처리 장치를 제공하는 것에 있다.
본 발명에 의하면, 진공 배기 가능한 처리 용기와, 상기 처리 용기 내에서 피처리체를 탑재하는 탑재대와, 상기 처리 용기의 상부에 배치되어, 상기 처리 용기를 밀폐하는 덮개부와, 상기 처리 용기 내로 플라즈마 여기용 처리 가스를 도입하는 가스 도입 기구를 구비하는 플라즈마 처리 장치로서, 상기 가스 도입 기구는, 상기 처리 가스를 공급하는 처리 가스 공급원과, 상기 처리 용기 내부의 공간을 향해서 개구한 복수의 가스 토출구와, 상기 복수의 가스 토출구에 접속하는 공통의 가스 연통로와, 상기 처리 가스 공급원으로부터, 상기 처리 용기의 내벽을 통해서 상기 가스 연통로로 가스를 통류시키는 가스 통류 기구를 갖는 플라즈마 처리 장치가 제공된다.
상기 구성의 플라즈마 처리 장치에 의하면, 복수의 가스 토출구에 접속하는 공통의 가스 연통로를 마련했기 때문에, 처리 가스를 복수의 가스 토출구에 균등하게 분배하여, 각 가스 토출구로부터의 가스의 토출을 균등하게 실행할 수 있게 된다. 이에 따라, 처리 용기 내의 플라즈마 처리 공간에 균질한 플라즈마를 형성할 수 있다. 또한, 프로세스 내용에 따라 가스 토출구를 처리 용기 내의 임의의 높이 위치에 설정하여 가스를 도입할 수 있다. 또한, 외부의 처리 가스 공급원에 접속되어, 처리 용기의 내벽을 통해서 가스 연통로로 접속하는 가스 통로를 마련하도록 했기 때문에, 플라즈마 처리 장치에 있어서의 외부 배관을 간소화하는 것이 가능하게 된다.
상기 본 발명의 플라즈마 처리 장치에 있어서, 상기 처리 용기의 상단에 형성된 단부(段部)와, 상기 덮개부의 하단에 형성된 단부(段部)에 의해 형성되는 간극을 상기 가스 연통로로서 이용할 수 있다. 또한, 상기 처리 용기의 상단에 형성 된 홈과, 상기 덮개부의 하단면에 의해 형성되는 간극을 상기 가스 연통로로서 이용해도 좋다. 또는, 상기 처리 용기의 상단면과, 상기 덮개부의 하단에 형성된 홈에 의해 형성되는 간극을 상기 가스 연통로로서 이용해도 좋다.
이것들과 같이, 처리 용기의 상단과 덮개부의 하단의 형상(단부나 홈)에 의해 형성되는 간극을 이용함으로써, 간단한 구조로 공통 연통로를 형성할 수 있고, 그 가공도 용이하다.
상기 본 발명의 플라즈마 처리 장치에 있어서, 상기 가스 통류 기구는, 상기 처리 가스 공급원으로부터 연장되는 가스 공급 라인과, 상기 처리 용기 내의 벽부에 마련되어 상기 가스 연통로에 접속하는 복수의 가스 통로와, 상기 가스 공급 라인으로부터 상기 복수의 가스 통로에 균등하게 처리 가스를 공급하기 위한 가스 균등 공급 기구를 갖는 구성으로 할 수 있다. 이 경우에, 상기 가스 균등 공급 기구는, 상기 복수의 가스 통로의 단부(端部)에 각각 마련된 가스 도입구와, 상기 가스 공급 라인으로부터 균등하게 분기하여, 상기 가스 도입구에 각각 접속하는 복수의 가스 도입관을 갖는 구성으로 할 수 있다. 또한, 상기 복수의 가스 도입관은 거의 동일한 길이를 갖고 있는 것이 바람직하다.
또한, 상기 덮개부는 상기 처리 용기 내에 마이크로파를 도입하기 위한 안테나를 구비하고 있는 것이면 좋다. 상기 안테나로서는, 복수의 슬롯 구멍이 형성된 평면 안테나를 이용할 수 있다.
또한, 상기 처리 용기는, 상기 탑재대를 둘러싸는 하부 하우징과, 상기 하부 하우징과 상기 덮개부 사이에 개재 배치된 상부 하우징을 갖고, 상기 하부 하우징 과 상기 상부 하우징과의 경계 및 상기 상부 하우징과 상기 덮개부와의 경계에, 각각 상기 가스 연통로가 형성되어 있고, 상측의 상기 가스 연통로에 접속하는 복수의 상측의 가스 토출구와, 하측의 가스 연통로에 접속하는 복수의 하측의 가스 토출구가 각각 형성되어 있는 것이 바람직하다.
또한, 상기 처리 용기 내의 상기 탑재대의 위쪽에 마련된, 다수의 관통 구멍을 갖는 플레이트를 더 구비하고, 상기 상측의 가스 토출구와 상기 하측의 가스 토출구는, 이것들 사이에 상기 플레이트가 개재하는 높이 위치에 형성되어 있는 것이 바람직하다.
이와 같이, 플레이트를 사이에 두고서 상하 2단으로 가스 토출구를 마련함으로써, 처리 가스의 종류에 따라서 플레이트의 상하로 가스 도입 위치를 선택하여, 목적하는 프로세스에 따라 플라즈마를 적절히 제어하는 것이 가능하게 된다.
도 1은 실시예 1의 플라즈마 처리 장치의 개략적인 구성을 나타내는 단면도,
도 2는 평면 안테나 부재를 나타내는 평면도,
도 3은 도 1의 주요부를 확대해서 나타내는 부분 단면도,
도 4는 가스 공급 배관의 개요를 설명하는 모식도,
도 5는 챔버의 저면 쪽의 외부 배관을 설명하는 저면도,
도 6은 고리 형상 연통로의 다른 예를 나타내는 단면도,
도 7은 고리 형상 연통로의 또 다른 예를 나타내는 단면도,
도 8은 실시예 2의 플라즈마 처리 장치의 개략적인 구성을 나타내는 단면도,
도 9는 도 8의 주요부를 확대해서 나타내는 단면도.
발명을 실시하기 위한 최선의 형태
이하, 첨부 도면을 참조하면서 본 발명의 실시예에 대해서 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예 1에 따른 플라즈마 처리 장치(100)의 개략적인 단면도이다. 이 플라즈마 처리 장치(100)는, 복수의 슬롯을 갖는 평면 안테나, 예를 들면 RLSA(Radial Line Slot Antenna; 방사상 라인 슬롯 안테나)로 처리실 내에 마이크로파를 도입하여 플라즈마를 발생시킴으로써, 고밀도이고 또한 저전자 온도의 마이크로파 플라즈마를 발생시킬 수 있는 플라즈마 처리 장치로서 구성되어 있다.
상기 플라즈마 처리 장치(100)는 기밀하게 구성되어, 웨이퍼 W가 반입되는 접지된 대략 원통 형상의 챔버(1)를 갖고 있다. 또한, 챔버(1)의 형상은 단면 사각형 등의 각기둥 형상이더라도 좋다. 이 챔버(1)의 위쪽에는, 처리 공간에 마이크로파를 도입하기 위한 기능을 가지는 덮개부(30)가 개폐 가능하게 마련되어 있다. 즉, 챔버(1)의 상부는 개구부로 되어 있고, 이 개구부를 막도록 덮개부(30)가 기밀하게 마련되어 있다.
덮개부(30)는 마이크로파를 챔버(1) 내에 도입하는 안테나부를 구성하고 있고, 안테나부는 서셉터(5) 쪽부터 순서대로 투과판(28), 평면 안테나 부재(31), 지파재(33)를 갖고 있다. 이들 투과판(28), 평면 안테나 부재(31) 및 지파재(33)는, 예를 들어 알루미늄이나 스테인리스강 등의 금속재로 이루어지고, 도파관 기능을 갖는 쉴드 덮개(34)에 의해서 덮여져 있다. 쉴드 덮개(34)는 가압 링(36)을 사이에 두고 상측 플레이트(27)에 지지되어 있다. 가압 링(36)과 쉴드 덮개(34)는 단면에서 보면 L자형을 한 고리 형상의 고정 링(35)으로 고정되어 있다. 덮개부(30)의 하단의 상측 플레이트(27)의 내주면에는, 챔버(1)에 처리 가스를 도입하기 위한 복수의 가스 토출구(15)가 형성되어 있다. 각 가스 토출구(15)는 가스 도입 경로를 사이에 두고 가스 공급원(16)에 접속되어 있다. 또한, 플라즈마 처리 장치(100)에 있어서의 가스 도입 경로에 대해서는 뒤에서 상세히 설명한다.
챔버(1)의 저벽(1a)의 대략 중앙부에는 원형의 개구부(10)가 형성되어 있고, 저벽(1a)에는 상기 개구부(10)와 연통하고, 아래쪽을 향해서 돌출하여 챔버(1) 내부를 균일하게 배기하기 위한 배기실(11)이 마련되어 있다.
챔버(1)의 내부에는, 피처리체인 웨이퍼 W를 수평으로 지지하기 위한 석영이나 세라믹스(AlN, Al2O3 등) 등의 재질로 구성된 서셉터(탑재대)(5)가 배기실(11)의 저부에 지지되어서 마련되어 있다. 이 서셉터(5)는 배기실(11)의 저부 중앙으로부터 위쪽으로 연장하는 원통 형상의 지지 부재(4)에 의해 지지되고, 이 지지 부재(4)는 배기실(11)에 지지되어 있다. 이들 지지 부재(4) 및 서셉터(5)는 열전도성이 좋은 AlN 등의 세라믹 재료로 구성되어 있다. 서셉터(5)의 외연부에는 웨이퍼 W를 가이드하기 위한 석영 등으로 구성된 가이드 링(8)이 마련되어 있다. 또한, 서셉터(5)에는 저항 가열형의 히터(도시하지 않음)가 매립되어 있어, 히터 전원(6)으로부터 급전되는 것에 의해 서셉터(5)를 가열하고, 그 열로 피처리체인 웨 이퍼 W를 가열한다. 서셉터(5)의 온도는 도시하지 않은 열전쌍에 의해서 계측할 수 있도록 되어 있고, 예를 들면 실온~1000℃의 범위에서 온도 제어 가능하게 되어 있다. 또한, 서셉터(5)에 정전척 기능을 갖게 하여, 웨이퍼 W를 전기적으로 착탈할 수 있는 구성으로 해도 좋다.
또한, 서셉터(5)에는, 웨이퍼 W를 지지하여 승강시키기 위한 웨이퍼 지지 핀(도시하지 않음)이 서셉터(5)의 표면에 대하여 돌몰 가능하게 마련되어 있다. 서셉터(5)의 외주측에는, 챔버(1) 내를 균일하게 배기하기 위한 배플 플레이트(7)가 고리 형상으로 마련되고, 이 배플 플레이트(7)는 복수의 지주(7a)에 의해 지지되어 있다. 또한, 챔버(1)의 내주에는 석영으로 이루어지는 원통 형상의 라이너(도시하지 않음)가 마련되어 있고, 챔버 구성 재료에 의한 금속 오염을 방지하여, 깨끗한 환경을 유지하고 있다.
상기 배기실(11)의 측면에는 배기관(23)이 접속되어 있고, 이 배기관(23)에는 고속 진공 펌프를 포함하는 배기 장치(24)가 접속되어 있다. 그리고, 이 배기 장치(24)를 작동시킴으로써 챔버(1) 내의 가스가 배기실(11)의 공간(11a) 내로 균일하게 배출되고, 배기관(23)을 거쳐서 배기된다. 이에 따라, 챔버(1) 내는 소정의 진공도, 예를 들면 0.133Pa까지 고속으로 감압하는 것이 가능하게 되어 있다.
챔버(1)의 벽 내에는, 챔버(1)의 하부로부터 위쪽을 향해서 가스 통로(12)가 형성되고, 이 가스 통로(12)는 처리 가스를 챔버(1) 내에 도입하기 위한 가스 도입 경로의 일부를 구성하고 있다.
또한, 챔버(1)에는 웨이퍼 W의 반입출을 행하기 위한 반입출구와, 이 반입출 구를 개폐하는 게이트 밸브가 마련되어 있다(모두 도시하지 않음).
챔버(1)의 상단부는 덮개부(30)의 상측 플레이트(27)의 하단과 접촉해 있다. 챔버(1)의 상단과 상측 플레이트(27)의 하단의 접합부에는, 예를 들어 O링 등의 밀봉 부재(9a, 9b)가 배치되어 있어, 접합부의 기밀 상태가 유지된다. 또한, 챔버(1)의 상단에는 단부(18)가 형성되어 있고, 덮개부(30)의 상측 플레이트(27)의 하단에는 챔버(1)의 단부(18)와 공동으로 고리 형상의 연통로(13)를 형성할 수 있도록 단부(19)가 마련되어 있다(도 3 참조).
투과판(28)은, 예를 들어 석영이나 Al2O3, AlN, 사파이어, SiN 등의 세라믹과 같은 유전체로 이루어져, 마이크로파를 투과하여 챔버(1) 내의 처리 공간에 도입하는 마이크로파 도입창으로서 기능한다. 투과판(28)의 하면(서셉터(5)측)은 평탄 형상에 한정되지 않고, 마이크로파를 균일화하여 플라즈마를 안정화시키기 위해서, 예를 들면 오목부나 홈을 형성해도 좋다. 이 투과판(28)은, 덮개부(30)의 외주 하부에 고리 형상으로 구비된 상측 플레이트(27)의 내주면의 돌출부(27a)에 의해, 밀봉 부재(29)를 사이에 두고 기밀 상태로 지지되어 있다. 따라서, 챔버(1) 내는 기밀하게 유지된다.
평면 안테나 부재(31)는 원판 형상을 하고 있으며, 투과판(28)의 위쪽 위치에 있어서, 쉴드 덮개(34)의 내주면에 고정된 상태로 마련되어 있다. 이 평면 안테나 부재(31)는, 예를 들어 표면이 금 또는 은도금된 구리판 또는 알루미늄판으로 이루어지고, 마이크로파를 방사하기 위한 다수의 슬롯 구멍(32)이 소정의 패턴으로 관통하여 형성된 구성으로 되어 있다.
슬롯 구멍(32)은, 예컨대 도 2에 도시하는 바와 같이 긴 홈 형상을 하여, 전형적으로는 인접하는 슬롯 구멍(32)끼리가 「T」자 형상으로 배치되고, 이들 복수의 슬롯 구멍(32)이 동심원 형상으로 배치되어 있다. 슬롯 구멍(32)의 길이나 배열 간극은 마이크로파의 파장(λg)에 따라 결정되고, 예를 들면 슬롯 구멍(32)의 간극은 λg/4, λg/2 또는 λg로 되도록 배치된다. 또한, 도 2에서는, 동심원 형상으로 형성된 인접하는 슬롯 구멍(32)끼리의 간극을 Δr로 표시하고 있다. 또한, 슬롯 구멍(32)은 원형 형상, 원호 형상 등의 그 외의 형상이더라도 무방하다. 또한, 슬롯 구멍(32)의 배치 형태는 특별히 한정되지 않고, 동심원 형상 외에, 예를 들면, 나선 형상, 방사 형상으로 배치할 수도 있다.
지파재(33)는 진공보다 큰 유전율을 갖고 있고, 평면 안테나 부재(31)의 상면을 덮도록 마련되어 있다. 이 지파재(33)는, 예를 들면, 석영, 세라믹스, 폴리테트라플루오르에틸렌 등의 불소계 수지나 폴리이미드계 수지에 의해 구성되어 있고, 진공 중에서는 마이크로파의 파장이 길어지기 때문에, 마이크로파의 파장을 짧게 하여 플라즈마를 조정하는 기능을 갖고 있다. 또한, 평면 안테나 부재(31)와 투과판(28) 사이, 또한, 지파재(33)와 평면 안테나(31) 사이는 각각 밀착시켜도 이간시켜도 좋다.
쉴드 덮개(34)에는 냉각수 유로(34a)가 형성되어 있고, 거기에 냉각수를 통류시킴으로써, 쉴드 덮개(34), 지파재(33), 평면 안테나 부재(31), 투과판(28)을 냉각하도록 되어 있다. 또한, 평면 안테나 부재(31) 및 쉴드 덮개(34)는 챔버(1) 를 거쳐서 접지되어 있다.
쉴드 덮개(34)의 상벽의 중앙에는 개구부(34b)가 형성되어 있고, 이 개구부(34b)에는 도파관(37)이 접속되어 있다. 이 도파관(37)의 단부에는 매칭 회로(38)를 거쳐서 마이크로파 발생 장치(39)가 접속되어 있다. 이에 따라, 마이크로파 발생 장치(39)에서 발생한, 예를 들면 주파수 2.45GHz의 마이크로파가 도파관(37)을 거쳐서 상기 평면 안테나 부재(31)로 전파되도록 되어 있다. 마이크로파의 주파수로서는, 8.35GHz, 1.98GHz 등을 이용할 수도 있다.
도파관(37)은 상기 쉴드 덮개(34)의 개구부(34b)로부터 위쪽으로 연장해서 나오는 단면 원형 형상의 동축 도파관(37a)과, 이 동축 도파관(37a)의 상단부에 모드 변환기(40)를 거쳐서 접속된 수평 방향으로 연장하는 직사각형 도파관(37b)를 갖고 있다. 직사각형 도파관(37b)과 동축 도파관(37a) 사이의 모드 변환기(40)는 직사각형 도파관(37b) 내를 TE 모드로 전파하는 마이크로파를 TEM 모드로 변환하는 기능을 갖고 있다. 동축 도파관(37a)의 중심에는 내도체(41)가 연재해 있고, 내도체(41)는 그 하단부에 있어서 평면 안테나 부재(31)의 중심에 접속 고정되어 있다. 이에 따라, 마이크로파는 동축 도파관(37a)의 내도체(41)를 거쳐서 평면 안테나 부재(31)에 방사 형상으로 효율적으로 균일하게 직경 방향 외측으로 전파된다.
도 3은 본 실시예의 플라즈마 처리 장치(100)에 있어서, 챔버(1) 내에 처리 가스를 도입하는 가스 도입 경로의 구조를 나타내는 확대도이다. 상기한 바와 같이, 덮개부(30)의 상측 플레이트(27)의 내주에는, 복수 개소(예를 들면, 32개소)에 균등하게 챔버(1) 내에 가스를 도입하기 위한 가스 토출구(15)가 마련되어 있다. 각 가스 토출구(15)는 가로 방향으로 형성된 가스 도입로(14)에 연통해 있다.
각 가스 도입로(14)는 챔버(1)의 상단과, 덮개부(30)의 상측 플레이트(27)의 하단과의 접면부에, 단부(18)와 단부(19)에 의해서 형성된 극간인 고리 형상 연통로(13)에 접속해 있다. 이 고리 형상 연통로(13)는 처리 공간을 둘러싸도록 대략 수평 방향으로 고리 형상으로 연통해 있다. 고리 형상 연통로(13)는 32개의 각 가스 도입로(14)로 가스를 균등 배분하여 공급하는 가스 분배 수단으로서의 기능을 갖고 있고, 처리 가스가 특정한 가스 토출구(15)에 치우치지 않고 균일하게 공급되도록 기능한다.
고리 형상 연통로(13)에는 챔버(1)의 벽 내의 임의의 개소(예를 들면, 균등한 4개소)에 도입 구멍(73)이 형성되어 있다. 그리고, 각 도입 구멍(73)은 연직 방향으로 형성된 가스 통로(12)(예를 들면, 2개), 가스 도입구(72), 가스 공급 라인(67)(또는 가스 공급 라인(69))을 거쳐서 가스 공급원(16)과 접속되어 있다. 이와 같이, 가스 공급원(16)에 접속된 챔버 벽 내의의 가스 유로, 즉, 각 가스 통로(12), 고리 형상 연통로(13), 각 가스 도입로(14)를 거쳐서 각 가스 토출구(15)에 이르는 가스 도입 경로를 형성함으로써, 외부 배관을 극력 삭감할 수 있고, 또한, 각 가스 토출구(15)에 이르기까지의 유로 길이를 대략 동등하게 가지런히 할 수 있기 때문에, 컨덕턴스의 차가 발생하지 않고, 각 가스 토출구(15)로부터의 처리 가스의 토출량을 대략 균등하게 제어할 수 있다.
도 4 및 도 5는 플라즈마 처리 장치(100)로 처리 가스를 공급하기 위한 외부배관의 배치 상태를 모식적으로 나타내고 있다. 도 4에 도시하는 바와 같이, 가스 공급원(16)은 복수의 가스원, 예를 들면 Ar 가스원(61), O2 가스원(62) 및 N2 가스원(63)을 구비하고 있다.
Ar 가스원(61)으로부터는 가스 공급 라인(67)이 연장되어 있고, 이 가스 공급 라인(67)은 가스 균등 공급 기구(70)를 거쳐서 챔버(1)의 저부에 접속되어 있다. 마찬가지로, O2 가스원(62)으로부터는 가스 공급 라인(68a)이 연장되어 있고, N2 가스원(63)으로부터는 가스 공급 라인(68b)이 연장되어 있으며, 이들 가스 공급 라인(68a 및 68b)은 합류하여 가스 공급 라인(69)을 형성하고, 이 가스 공급 라인(69)은 가스 균등 공급 기구(71)를 거쳐서 챔버(1)의 저부에 접속되어 있다. 가스 공급 라인(67, 68a, 68b)에는, 모두 앞뒤의 밸브(64, 66)와, 이것들에 끼워진 질량 유량 제어기(MFC)(65)가 마련되어 있다.
도 5에 도시하는 바와 같이, 가스 균등 공급 기구(70)는 챔버(1)의 아래쪽의 배기실(11)의 외측을 따라, 가스 공급 라인(67)의 분기부(67a)로부터 평면에서 보아서 L자형으로 균등하게 분기한 가스 도입관(70a, 70b)을 갖고 있으며, 이들 가스 도입관(70a, 70b)은 챔버(1)의 하부에 마련된 가스 도입구(72a, 72b)에 접속되고, 이들 가스 도입구(72a, 72b)를 거쳐서 챔버(1)의 벽 내부에 서로 대각 위치로 되도록 형성된 2개의 가스 통로(12)에 각각 접속되어 있다.
가스 균등 공급 기구(71)는 챔버(1)의 아래쪽의 배기실(11)의 외측을 따라, 가스 공급 라인(69)의 분기부(69a)로부터 평면에서 보아서 L자형으로 균등하게 분기한 가스 도입관(71a, 71b)을 갖고 있고, 이들 가스 도입관(71a, 71b)은 챔버(1) 의 하부에 마련된 가스 도입구(72c, 72d)에 접속되며, 이들 가스 도입구(72a, 72b)를 거쳐서 챔버(1)의 벽 내부에 서로 대각 위치로 되도록 형성된 2개의 가스 통로(12)에 각각 접속되어 있다.
상기 도입관(70b)과 도입관(71b)은 동일한 쪽에 마련되어 있고, 도입관(70a)과 도입관(71a)은 배기실(11)을 사이에 두고서 대향하게 마련되어 있으며, 도입관(70a, 70b, 71a, 71b)은 배기실(11)의 3쪽을 둘러싸도록 마련되어 있다.
이와 같이, 챔버(1)의 아래쪽에 있어서, L자형으로 분기한 도입관(70a, 70b) 및 도입관(71a, 71b)을 이용하여 가스 경로를 분기함으로써, 가스 공급원(16)으로부터 각 가스 도입구(72a~72d)까지의 유로 길이를 거의 동등하게 하는 것이 가능하게 된다.
이상과 같이, 본 실시예에서는, 가스 공급원(16)으로부터의 가스를 4개소의 가스 도입구(72a~72d) 및 4개의 가스 통로(12)로부터 일단 공통의 고리 형상 연통로(13)로 유도하여 가스를 합류, 확산시킨 후, 각 가스 도입로(14)를 거쳐서 32개소의 가스 토출구(15)로부터 균일하게 챔버(1) 내로 도입하는 구성으로 했기 때문에, 챔버(1) 내에서 처리 가스를 균일하게 공급할 수 있다. 따라서, 챔버(1) 내의 플라즈마 처리 공간에서 균일한 플라즈마를 여기시킬 수 있어, 웨이퍼 W에 대한 프로세스의 균일화를 도모할 수 있다.
또한, 가스 도입구(72a, 72b, 72c, 72d) 및 가스 통로(12)는 챔버(1) 내에 가스를 균일하게 공급 가능하면 어떠한 위치에 마련해도 좋다. 또한, 가스 도입관(70a와 70b, 71a와 71b)은 그 유로 길이나 컨덕턴스가 대략 동일하면 상기 구성 에 한정되지 않는다.
또한, 상측 플레이트(27) 내부에 각 가스 토출구(15)로 통하는 가스 도입로(14)를 마련했기 때문에, 상측 플레이트(27)의 높이를 변경함으로써, 가스 토출구(15)를 챔버(1) 내의 임의의 높이 위치로 설정하고, 처리 공간 내에 처리 가스를 균일하게 공급하여, 균일한 플라즈마를 형성할 수 있는 장점이 있다.
예컨대, 프로세스 내용에 의해서, 플라즈마 생성부의 바로 근방에 가스 토출구(15)를 설정하여 가스를 도입하거나, 혹은 반대로, 플라즈마 생성부의 바로 근방의 위치에서는 가스의 해리가 지나치게 진행하거나, 가스 토출구(15) 내부로의 손상이 걱정될 경우에는, 가스 토출구(15)를 보다 아래쪽에 배치하는 등의 변형을 용이하게 갖게 할 수 있다.
또한, 챔버(1)의 하부에 마련된 가스 도입구(72)에 접속하는 외부 배관인 L자형의 가스 도입관(70a, 70b) 및 가스 도입관(71a, 71b)을 챔버(1)의 아래쪽에 집약시킬 수 있기 때문에, 복잡한 배관이 불필요하고, 배관에 필요한 공간이 작아져서, 공간 절약화를 도모하는 것이 가능하다.
또한, 도 3에서는, 챔버(1)의 상단의 단부(18)와 상측 플레이트(27)의 하단의 단부(19) 사이에 고리 형상 연통로(13)를 형성하도록 했지만, 예컨대 도 6에 도시하는 바와 같이, 챔버(1)의 상단면에 고리 형상의 홈을 마련하고, 평탄한 상측 플레이트(27)의 하단면과의 사이에 고리 형상 연통로(13a)를 형성할 수도 있다. 이 경우, 각 가스 도입로(14) 및 각 가스 토출구(15)는 상측 플레이트(27)가 아니라, 챔버(1)의 상단면에 형성할 수 있다.
또한, 예컨대 도 7에 도시하는 바와 같이, 상측 플레이트(27)의 하단면에 고리 형상의 홈을 마련하여, 평탄한 챔버(1)의 상단면과의 사이에 고리 형상 연통로(13b)를 형성할 수도 있다. 또한, 도시하지 않지만, 챔버(1)의 상면과 상측 플레이트(27)의 하면의 양쪽에 고리 형상의 홈을 마련하고, 대향하는 2개의 홈이 일치하도록 양쪽 부분재를 접촉시킴으로써, 고리 형상 연통로를 형성하는 것도 가능하다.
이상과 같이 구성된 플라즈마 처리 장치(100)에 있어서는, 이하와 같이 하여 피처리체로서의 웨이퍼 W에 대하여 플라즈마 처리가 행해진다.
먼저, 웨이퍼 W를 챔버(1) 내에 반입하여, 서셉터(5) 상에 탑재한다. 그리고, 가스 공급원(16)으로부터, 예를 들면, 플라즈마 가스로서의 Ar 가스, 산화 가스로서의 O2 가스를 소정의 유량으로 공급하고, 가스 공급 라인(67, 69), 도입관(70a, 70b 및 71a, 71b), 각 가스 도입구(72), 각 가스 통로(12), 고리 형상 연통로(13, 32) 개소에 마련된 각 가스 도입로(14) 및 각 가스 토출구(15)를 거쳐서 챔버(1) 내에 도입한다. 또한, 이 경우의 프로세스 조건으로서는, 이하와 같은 것이 예시된다.
Ar 가스 유량: 1000mL/min(sccm)
O2 가스 유량: 10mL/min(sccm)
압력: 133Pa(1Torr)
처리 온도: 500℃
다음에, 마이크로파 발생 장치(39)로부터의 마이크로파를, 매칭 회로(38)를 지나서 도파관(37)으로 유도하여, 직사각형 도파관(37b), 모드 변환기(40), 및 동축 도파관(37a)을 순차적으로 통과시켜서 내도체(41)를 거쳐서 평면 안테나 부재(31)에 공급하고, 평면 안테나 부재(31)의 슬롯으로부터 투과판(28)을 거쳐서 챔버(1) 내에 방사시킨다.
마이크로파는 직사각형 도파관(37b) 내에서는 TE 모드로 전파하고, 이 TE 모드의 마이크로파는 모드 변환기(40)에서 TEM 모드로 변환되어, 동축 도파관(37a) 내를 평면 안테나 부재(31)를 향해서 전파되어 간다. 평면 안테나 부재(31)로부터 투과판(28)을 지나서 챔버(1)로 방사된 마이크로파에 의해 챔버(1) 내에서 전자계가 형성되어, 처리 가스가 플라즈마화하고, 이 플라즈마에 의해 웨이퍼 W에 대하여 소정의 처리, 예시된 Ar 가스+O2 가스로서는 산화 처리가 이루어진다.
이 플라즈마는, 마이크로파가 평면 안테나 부재(31)의 다수의 슬롯 구멍(32)으로부터 방사됨으로써, 대략 1×1010~5×1012/cm3의 고밀도, 또한 2eV 이하의 저전자 온도의 플라즈마를 생성할 수 있는 것이고, 특히 웨이퍼 W 근방에서는, 대략 1.5eV 이하의 저전자 온도 플라즈마로 된다. 따라서, 이 플라즈마를 웨이퍼 W에 대하여 작용시킴으로써, 플라즈마 손상을 억제한 처리가 가능하게 된다.
다음에, 본 발명의 실시예 2에 대해서 설명한다.
도 8은 실시예 2에 따른 플라즈마 처리 장치(101)의 개략적인 구성을 나타내는 단면도이고, 도 9는 그 주요부를 나타내는 단면도이다. 또한, 실시예 2에 따른 도 8, 도 9의 플라즈마 처리 장치(101)에 있어서, 실시예 1에 따른 도 1의 플라즈마 처리 장치(100)와 마찬가지의 구성에 대해서는, 동일한 부호를 부여하고 설명을 생략한다.
플라즈마 처리 장치(101)는 챔버(1')와 덮개부(30)에 의해 구성되고, 챔버(1')는 하부 챔버(2)와, 그 상부에 배치되는 상부 챔버(3)를 갖는 구성으로 되어 있다. 상부 챔버(3)는, 제 1 측벽 부재(3a) 및 제 2 측벽 부재(3b)에 의해 구성되어 있다. 또한, 챔버(1') 내의 플라즈마 처리 공간에는, 다수의 관통 구멍(81)이 형성된 샤워 플레이트(80)가 배치되어 있다. 이 샤워 플레이트(80)는 상부 챔버(3)의 제 2 측벽 부재(3b)의 벽에 도시하지 않은 고정 수단에 의해서 고정되어 있다. 또한, 샤워 플레이트(80)는 제 1 측벽 부재(3a) 또는 하부 챔버(2)의 벽에 고정해도 좋다. 샤워 플레이트(80)에 의해, 플라즈마 처리 공간은 상부 공간(S1) 및 하부 공간(S2)으로 2분되어, 이들 상부 공간(S1)과 하부 공간(S2)은 관통 구멍(81)을 거쳐서 연통해 있다.
하부 공간(S2)에 임하는 하부 챔버(2)의 벽의 내주에는, 실시예 1과 마찬가지로 복수 개소(예를 들면, 32개소)에 가스 토출구(15)가 형성되어 있고, 각 가스 토출구(15)는 각각 가스 도입로(14)를 거쳐서 대략 수평 방향으로 형성된 고리 형상 연통로(13), 하부 챔버(2) 내부에 대략 수직 방향으로 형성된 복수(예를 들면, 4개)의 가스 통로(12)에 연통해 있다. 가스 통로(12)는 가스 공급원(16)에 접속되어, 예를 들어 O2 가스원(도시를 생략)으로부터 반응 가스인 O2 가스를 챔버(1') 내 로 공급할 수 있도록 되어 있다.
한편, 상부 공간(S1)에 임하는 상부 챔버(3)의 제 1 측벽 부재(3a)의 내주면에도 가스 토출구(90)가 복수 개소, 예를 들면 32개소에 형성되어 있고, 각 가스 토출구(90)는 각각 가스 도입로(91)를 거쳐서 대략 수평 방향으로 형성된 고리 형상 연통로(92)에 접속되며, 또한 제 2 측벽 부재(3b) 내에 형성된 복수(예를 들면, 4개)의 가스 통로(93)에 연통해 있다. 각 가스 통로(93)는 가스 도입구(94)를 거쳐서 가스 공급원(16)에 접속되고, 예컨대 Ar 가스원(도시를 생략)으로부터 플라즈마 가스인 Ar 가스를 챔버(1') 내로 공급할 수 있도록 되어 있다.
상부 챔버(3)의 제 2 측벽 부재(3b)의 하면에는 단부(95)가 형성되어 있고, 하부 챔버(2)의 상면의 단부(18)와 공동하여 고리 형상 연통로(13)를 형성하고 있다. 또한, 제 2 측벽 부재(3b)의 상면에도 단부(96)가 형성되어 있고, 제 1 측벽 부재(3a)의 하면의 단부(19)와의 사이에 고리 형상 연통로(92)를 형성하고 있다.
하부 챔버(2)의 상단과, 상부 챔버(3)의 제 2 측벽 부재(3b)의 하단과의 접합부에는, 예컨대 O링 등의 밀봉 부재(9a, 9b)가 배치되어 있어, 접합부의 기밀 상태가 확보되어 있다. 마찬가지로, 제 2 측벽 부재(3b)의 상단과, 제 1 측벽 부재(3a)의 하단의 접촉면에도, 예컨대 O링 등의 밀봉 부재(9c, 9d)가 배치되어 구비되어 있어, 접합부의 기밀 상태가 확보되어 있다.
또한, 제 1 측벽 부재(3a)의 상단과, 덮개부(30)의 상측 플레이트(27)의 하단의 접촉면에도, 예컨대 O링 등의 밀봉 부재(9e, 9f)가 배치되어 있어, 접합부의 기밀 상태가 확보되어 있다.
또한, 제 2 측벽 부재(3b)의 내주면의 하단부는, 아래쪽으로 하카마 형상(스커트 형상)으로 수직 하강한 돌출부(97)가 고리 형상으로 형성되어 있다. 이 돌출부(97)는 제 2 측벽 부재(3b)와 하부 챔버(2)와의 경계(접면부)를 피복하도록 마련되어 있고, 플라즈마에 노출되면 열화하기 쉬운, 예를 들어 불소계 고무 재료[예를 들면, 켐라즈(Chemraz)(상품명; Green Tweed & Co. 회사 제품)나 바이톤(Viton)(상품명; Dupont-Dow Elastomer 회사 제품)] 등으로 이루어지는 O링 등의 밀봉 부재(9b)에 플라즈마가 직접 작용하여 플라즈마 손상을 주는 것을 방지하는 역할을 하고 있다.
본 실시예의 플라즈마 처리 장치(101)에서는, 샤워 플레이트(80)를 구비한 챔버(1')에 있어서, 상부 공간(S1)에 제 1 처리 가스를 도입하는 가스 토출구(90)와, 하부 공간(S2)에 제 2 처리 가스를 도입하는 가스 토출구(15)를 따로따로 마련함으로써, 예컨대 플라즈마를 여기시키기 위한 Ar 가스를 상부 공간(S1)에 도입하는 한편, 하부 공간(S2)에는 예를 들어 산화 반응에 관여하는 O2 가스 등의 반응계 가스를 도입하는 것이 가능하게 된다. 이에 따라, 예컨대 하부 공간(S2)에 도입되는 반응계 가스의 해리를 최소한으로 억제하는 것이 가능해져, 플라즈마를 적절히 제어하여 산화 처리 등을 행할 수 있다.
또한, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고, 여러 가지의 변형이 가능하 다. 예컨대, 상기 실시예에서는, RLSA 방식의 플라즈마 처리 장치(100)를 예로 들었지만, 예를 들어 리모트 플라즈마 방식, ICP 방식, ECR 방식, 표면 반사파 방식, 마그네트론 방식 등의 플라즈마 처리 장치에도 적용 가능하다.
또한, 상기 실시예에서는, 원반 형상의 반도체 웨이퍼를 처리하기 위한 원통 형상의 챔버(1)를 갖는 플라즈마 처리 장치(100, 101)를 예로 들었지만, 이에 한정되지 않고, 예컨대 사각형의 FPD용 유리 기판을 처리하는 수평 단면이 직사각형인 챔버를 갖는 플라즈마 처리 장치에도 본 발명의 분할 구조를 적용할 수 있다.
또한, 가스 공급원(16)으로부터 공급되는 가스의 종류는 상기에 한정되는 것이 아니라, 예컨대 Kr, He 등의 희가스, N2O, NO, NO2, CO2 등의 산화 가스, NH3 등의 질화 가스 외에, 예를 들면 산화막 퇴적용의 SiH4와 O2, 질화막 퇴적용의 SiH4와 N2, Low-k막(저유전율막) 퇴적용의 TMA(트리메틸아민)와 O2 등의 성막 가스, 예를 들면 C4F8, C5F6, BCl3, HBr, HCl 등의 에칭 가스 등의 처리 가스를 소정의 유량으로 공급 가능하도록 구성할 수 있다. 이들 처리 가스를 이용하여 산화 처리, 질화 처리, 산질화 처리, 성막 처리, 에칭 처리 등의 소망하는 처리를 실행할 수 있다.
본 발명은 처리 용기 내에 처리 가스를 도입하여 피처리체에 플라즈마 처리를 실시하는 플라즈마 처리 장치 전반에 적용 가능하다.

Claims (11)

  1. 진공 배기 가능한 처리 용기와, 상기 처리 용기 내에서 피처리체를 탑재하는 탑재대와, 상기 처리 용기의 상부에 배치되어, 상기 처리 용기를 밀폐하는 덮개부와, 상기 처리 용기 내로 플라즈마 여기용 처리 가스를 도입하는 가스 도입 기구를 구비하는 플라즈마 처리 장치로서,
    상기 가스 도입 기구는,
    상기 처리 가스를 공급하는 처리 가스 공급원과,
    상기 처리 용기 내부의 공간을 향해서 개구한 복수의 가스 토출구와,
    상기 복수의 가스 토출구에 접속하는 공통의 가스 연통로와,
    상기 처리 용기의 벽 내에서 상기 처리 용기의 하부로부터 연장하여 상기 가스 연통로에 접속하는 복수의 가스 통로와,
    상기 처리 용기의 하방에 배치되고, 상기 처리 가스 공급원으로부터의 상기 처리 가스를 상기 복수의 가스 통로로 각각 분배하는, 동일한 길이를 갖는 복수의 가스 도입관
    을 포함하는
    플라즈마 처리 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 가스 연통로는 상기 처리 용기의 상단에 형성된 단부(段部)와, 상기 덮개부의 하단에 형성된 단부(段部)에 의해 형성되는 간극인 플라즈마 처리 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 가스 연통로는 상기 처리 용기의 상단에 형성된 홈과, 상기 덮개부의 하단면에 의해 형성되는 간극인 플라즈마 처리 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 가스 연통로는 상기 처리 용기의 상단면과, 상기 덮개부의 하단에 형성된 홈에 의해 형성되는 간극인 플라즈마 처리 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 가스 도입 기구는, 상기 처리 가스 공급원으로부터 연장하는 가스 공급 라인과, 상기 복수의 가스 통로의 단부에 각각 마련된 복수의 가스 도입구를 더 구비하고,
    상기 복수의 가스 도입관은 상기 가스 공급 라인으로부터 균등하게 분기하여, 상기 가스 도입구에 각각 접속되어 있는
    플라즈마 처리 장치.
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 덮개부는 상기 처리 용기 내에 마이크로파를 도입하기 위한 안테나를 구비하고 있는 플라즈마 처리 장치.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 안테나는 복수의 슬롯 구멍이 형성된 평면 안테나인 플라즈마 처리 장치.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 처리 용기는, 상기 탑재대를 둘러싸는 하부 하우징과, 상기 하부 하우징과 상기 덮개부 사이에 개재 배치된 상부 하우징을 갖고,
    상기 하부 하우징과 상기 상부 하우징과의 경계 및 상기 상부 하우징과 상기 덮개부와의 경계에, 각각 상기 가스 연통로가 형성되어 있고, 상측의 상기 가스 연통로에 접속하는 복수의 상측의 가스 토출구와, 하측의 가스 연통로에 접속하는 복수의 하측의 가스 토출구가 각각 형성되어 있는
    플라즈마 처리 장치.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 처리 용기 내의 상기 탑재대의 위쪽에 마련된, 다수의 관통 구멍을 갖 는 플레이트를 더 구비하고,
    상기 상측의 가스 토출구와 상기 하측의 가스 토출구는, 이것들 사이에 상기 플레이트가 개재하는 높이 위치에 형성되어 있는
    플라즈마 처리 장치.
KR1020077029423A 2006-03-06 2007-03-05 플라즈마 처리 장치 KR100978407B1 (ko)

Applications Claiming Priority (2)

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