KR101183047B1 - 플라즈마 처리 장치 - Google Patents

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metal
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마사키 히라야마
타다히로 오오미
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고쿠리츠다이가쿠호진 도호쿠다이가쿠
도쿄엘렉트론가부시키가이샤
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Abstract

(과제) 기판에 대한 처리의 균일성을 보다 향상시키는 것을 목적으로 하고 있다.
(해결 수단) 플라즈마 처리되는 기판(G)을 수납하는 금속제의 처리 용기(4)와, 처리 용기(4) 내에 플라즈마를 여기(excitation)시키기 위해 필요한 전자파를 공급하는 전자파원(85)을 구비하고, 전자파원(85)으로부터 공급되는 전자파를 처리 용기(4)의 내부에 투과시키는, 처리 용기(4)의 내부에 일부를 노출시킨 복수의 유전체(25)를, 처리 용기(4)의 덮개체(3) 하면에 구비한 플라즈마 처리 장치로서, 유전체(25)의 하면에, 덮개체(3)와 전기적으로 접속된 금속 전극(27)이 형성되고, 금속 전극(27)과 덮개체(3) 하면의 사이에 노출되는 유전체(25)의 부분이, 처리 용기(4)의 내부로부터 보아 실질적으로 다각형의 윤곽을 이루고, 복수의 유전체(25)는, 다각형의 윤곽의 꼭지각끼리를 인접시켜 배치되고, 처리 용기(4)의 내부에 노출된 덮개체(3) 하면과 금속 전극(27) 하면에, 전자파를 전반(propagation)시키는 표면파 전반부가 형성되어 있다.

Description

플라즈마 처리 장치{PLASMA PROCESSING APPARATUS}
본 발명은 플라즈마를 여기(excitation)시켜 기판에 대하여 성막 등의 처리를 행하는 플라즈마 처리 장치에 관한 것이다.
예를 들면 반도체 장치나 LCD 장치 등의 제조 공정에 있어서는, 마이크로파를 이용하여 처리 용기 내에 플라즈마를 여기시켜, 기판에 대하여 CVD 처리나 에칭 처리 등을 행하는 플라즈마 처리 장치가 이용되고 있다. 이러한 플라즈마 처리 장치로서, 처리 용기의 내면에 배치된 유전체에 마이크로파원(源)으로부터 동축관(同軸管)이나 도파관(waveguide)에 의해 마이크로파를 공급하고, 처리 용기 내에 공급된 소정의 가스를 마이크로파의 에너지에 의해 플라즈마화 시키는 것이 알려져 있다.
최근, 기판 등의 대형화에 수반하여 플라즈마 처리 장치도 커지고 있지만, 처리 용기의 내면에 배치되는 유전체를 단일한 판으로 했을 경우, 대형화된 유전체의 제조가 곤란하여 제조 비용을 증가시키는 요인이 되고 있었다. 그래서, 이러한 불편을 해소하기 위해, 본 출원인은, 처리 용기의 덮개체 하면에 복수의 유전체를 부착함으로써, 유전체판을 복수로 분할하는 기술을 제안했다(특허문헌 1).
일본공개특허공보 2006－310794호
그런데, 이상과 같은 마이크로파를 이용한 종래의 플라즈마 처리 장치에서는, 마이크로파원에서 출력된 예를 들면 2.45GHz의 마이크로파를, 처리 용기의 덮개체 하면에 배치된 유전체에 투과시켜, 처리 용기의 내부에 공급하는 구성이다. 이 경우, 유전체는 처리 용기에 수납된 기판의 처리면(상면)의 거의 전체를 덮도록 배치되어 있고, 처리 용기의 내부에 노출되는 유전체의 노출면의 면적은, 기판의 처리면의 면적과 거의 동일한 정도의 크기였다. 이에 따라, 유전체의 하면 전체에서 발생시킨 플라즈마를 이용하여, 기판의 처리면 전체에 균일한 처리를 행하고 있었다.
그러나, 종래의 플라즈마 처리 장치와 같이 유전체의 노출 면적을 기판의 처리면의 면적과 거의 동일한 정도로 했을 경우, 유전체의 사용량이 많이 필요하고, 경제적이 아니라는 난점이 있다. 특히 최근에는 기판이 대형화되고 있어, 유전체의 사용량이 더욱 많이 필요해지고 있어, 비용 상승의 요인이 되고 있다.
또한, 처리 용기의 덮개체 하면 전체에 유전체를 배치했을 경우, 기판의 처리면 전체에 처리 가스를 균일하게 공급하는 것이 어려워진다는 문제도 발생한다. 즉, 유전체로서 예를 들면 Al2O3 등이 이용되지만, 금속제의 덮개체에 비해, 유전체에 가스 공급공(孔)을 가공하는 것이 곤란하여, 통상은, 가스 공급공은 덮개체의 노출 개소에만 형성된다. 이 때문에, 기판의 처리면 전체에 샤워 플레이트와 같은 상태로 처리 가스를 균일하게 공급하는 것이 어려워져 버린다.
에칭이나 CVD(chemical vapor deposition) 등의 플라즈마 처리에 있어서, 플라즈마로부터 기판 표면에 입사하는 이온의 에너지를 제어하기 위해, 기판에 고주파 바이어스를 인가하여 기판에 자기(self) 바이어스 전압(부(負)의 직류 전압)을 발생시키는 경우가 있다. 이때, 기판에 인가한 고주파 바이어스가 기판 주변의 시스(sheath)에만 걸리는 것이 바람직하지만, 처리 용기 내면의 대부분이 유전체로 덮여 플라즈마로부터 그라운드면(처리 용기 내면)이 그다지 보이지 않는 상황에서는, 그라운드면 주변의 시스에도 걸려 버린다. 이 때문에, 기판에 과잉으로 큰 고주파 전력을 인가할 필요가 있을 뿐만 아니라, 그라운드면에 입사하는 이온의 에너지가 증가하여 그라운드면이 에칭되어, 금속 오염을 일으키는 문제가 있었다.
또한, 처리 속도를 빠르게 하기 위해 대전력의 마이크로파를 투입하면, 플라즈마로부터의 이온이나 전자의 입사에 의해 유전체의 온도가 상승하여, 열응력에 의해 유전체가 파손되거나, 유전체 표면의 에칭 반응이 촉진되어 불순물 오염을 일으키는 문제가 있었다.
상기와 같이, 마이크로파를 이용한 플라즈마 처리 장치에서는, 입수의 용이함, 경제성 등의 이유에 의해, 2.45GHz의 마이크로파를 출력하는 마이크로파원이 일반적으로 이용되어 왔다. 한편 최근에는, 2GHz 이하라는 주파수가 낮은 마이크로파를 이용한 플라즈마 처리가 제안되고 있고, 예를 들면, 896MHz, 915MHz, 922MHz라는 비교적 낮은 주파수의 마이크로파를 이용한 플라즈마 처리가 검토되고 있다. 안정적이고 전자 온도가 낮은 플라즈마를 얻기 위한 하한(下限)의 전자 밀도가 주파수의 제곱에 비례하기 때문에, 주파수를 내리면 보다 광범위한 조건으로 플라즈마 처리에 적합한 플라즈마가 얻어지기 때문이다.
본 발명자는, 이러한 2GHz 이하라는 주파수가 낮은 마이크로파를 이용한 플라즈마 처리에 대해서 여러 가지의 검토를 행했다. 그 결과, 2GHz 이하의 주파수의 마이크로파를 처리 용기 내면의 유전체에 투과시켰을 경우, 유전체의 주위로부터 처리 용기 내면 등의 금속 표면을 따라서 마이크로파를 유효하게 전반(propagation)시킬 수 있고, 이 금속 표면을 따라서 전반하는 마이크로파에 의해 처리 용기 내에 플라즈마를 여기시킬 수 있다는 새로운 인식을 얻었다. 또한, 이와 같이 금속 표면과 플라즈마와의 사이를 금속 표면을 따라서 전반하는 마이크로파를, 본 명세서에 있어서 「도체 표면파」라고 부른다.
한편, 이러한 도체 표면파를 금속 표면을 따라서 전반시켜, 처리 용기 내에 플라즈마를 여기시키는 경우, 유전체의 주위에 있어서 마이크로파를 전반시키는 표면파 전반부(propagating portion)의 형상이나 크기가 불균일하면, 도체 표면파에 의해 처리 용기 내에 여기되는 플라즈마도 불균일하게 되어 버린다. 그 결과, 기판의 처리면 전체에 균일한 처리를 할 수 없게 될 우려가 있다.
그래서 본 발명은, 도체 표면파를 이용하여 처리 용기 내에 플라즈마를 여기시키는 플라즈마 처리 장치에 있어서, 기판에 대한 처리의 균일성을 더욱 향상시키기 위해 창출된 것이다.
본 발명에 의하면, 플라즈마 처리되는 기판을 수납하는 금속제의 처리 용기와, 상기 처리 용기 내에 플라즈마를 여기시키기 위해 필요한 전자파를 공급하는 전자파원(源)을 구비하고, 상기 전자파원으로부터 공급되는 전자파를 상기 처리 용기의 내부에 투과시키는, 상기 처리 용기의 내부에 일부를 노출시킨 복수의 유전체를, 상기 처리 용기의 덮개체 하면에 구비한 플라즈마 처리 장치로서, 상기 유전체의 하면에 금속 전극이 형성되고, 상기 금속 전극과 상기 덮개체 하면의 사이에 노출되는 상기 유전체의 부분의 상이한 2개의 측에, 전자파를 전반시키는 표면파 전반부가 형성되며, 상기 2개의 측의 표면파 전반부가 서로 실질적으로 서로 비슷한 형상 또는 실질적으로 대칭 형상인 플라즈마 처리 장치가 제공된다.
또한, 본 발명에 의하면, 플라즈마 처리되는 기판을 수납하는 금속제의 처리 용기와, 상기 처리 용기 내에 플라즈마를 여기시키기 위해 필요한 전자파를 공급하는 전자파원을 구비하고, 상기 전자파원으로부터 공급되는 전자파를 상기 처리 용기의 내부에 투과시키는, 상기 처리 용기의 내부에 일부를 노출시킨 복수의 유전체를, 상기 처리 용기의 덮개체 하면에 구비한 플라즈마 처리 장치로서, 상기 유전체의 하면에 금속 전극이 형성되고, 상기 금속 전극과 상기 덮개체 하면의 사이에 노출되는 상기 유전체의 부분의 적어도 일부에 인접하여 전자파를 전반시키는 표면파 전반부가 형성되며, 상기 인접하는 표면파 전반부는 상기 유전체의 형상과 실질적으로 서로 비슷한 형상을 이루는 형상을 갖거나, 또는 상기 유전체의 형상과 실질적으로 대칭이 되는 형상을 갖는 플라즈마 처리 장치가 제공된다.
또한, 본 발명에 의하면, 플라즈마 처리되는 기판을 수납하는 금속제의 처리 용기와, 상기 처리 용기 내에 플라즈마를 여기시키기 위해 필요한 전자파를 공급하는 전자파원을 구비하고, 상기 전자파원으로부터 공급되는 전자파를 상기 처리 용기의 내부에 투과시키는, 상기 처리 용기의 내부에 일부를 노출시킨 복수의 유전체를, 상기 처리 용기의 덮개체 하면에 구비한 플라즈마 처리 장치로서, 상기 유전체의 하면에 금속 전극이 형성되고, 상기 금속 전극과 상기 덮개체 하면의 사이에 노출되는 상기 유전체의 부분이, 상기 처리 용기의 내부로부터 보아 실질적으로 다각형의 윤곽을 이루고, 상기 복수의 유전체는, 상기 다각형의 윤곽의 꼭지각끼리를 인접시켜 배치되고, 상기 처리 용기의 내부에 노출된 상기 덮개체 하면과 상기 금속 전극 하면에, 전자파를 전반시키는 표면파 전반부가 형성되어 있는 플라즈마 처리 장치가 제공된다.
본 발명의 플라즈마 처리 장치에 있어서는, 유전체로부터 표면파 전반부를 따라서 전반시킨 마이크로파(도체 표면파)에 의해, 처리 용기 내에 플라즈마를 여기시킬 수 있다. 또한, 이 플라즈마 처리 장치에 의하면, 유전체의 주위에 형성되는 표면파 전반부의 형상이나 크기가 거의 균일하게 되어, 도체 표면파에 의해 처리 용기 내에 여기되는 플라즈마가 균일하게 된다. 그 결과, 기판의 처리면 전체에 균일한 처리를 할 수 있게 된다.
본 발명의 플라즈마 처리 장치에 있어서, 상기 유전체는, 예를 들면, 실질적으로 사각형의 판 형상이다. 그 경우, 상기 사각형은, 예를 들면, 정사각형, 마름모형, 모서리가 둥근 정사각형 또는 모서리가 둥근 마름모형이다. 혹은, 상기 유전체는, 예를 들면, 실질적으로 삼각형의 판 형상이다. 그 경우, 상기 삼각형은, 예를 들면, 정삼각형 또는 모서리가 둥근 정삼각형이다. 상기 처리 용기의 내부로부터 보아, 상기 복수의 유전체로 둘러싸여 있는 상기 처리 용기의 내부에 노출된 상기 덮개체 하면의 형상과, 상기 금속 전극 하면의 형상이 실질적으로 동일한 것이 바람직하다.
상기 처리 용기의 내부로부터 보아, 상기 유전체의 외연(外緣)이, 상기 금속 전극의 외연보다 외측에 있어도 좋다. 혹은, 상기 처리 용기의 내부로부터 보아, 상기 유전체의 외연이, 상기 금속 전극의 외연과 동일하거나, 또는 내측에 있어도 좋다.
상기 유전체의 두께는, 예를 들면, 서로 이웃하는 상기 유전체의 중심 간의 거리의 1/29 이하이며, 바람직하게는, 상기 유전체의 두께가, 서로 이웃하는 상기 유전체의 중심 간의 거리의 1/40 이하이다.
상기 유전체는, 예를 들면, 상기 덮개체 하면에 형성된 오목부에 삽입되어 있다. 그 경우, 상기 처리 용기의 내부에 노출된 상기 덮개체 하면과, 상기 금속 전극 하면이 동일면에 배치되어 있어도 좋다. 또한, 상기 처리 용기의 내부에 노출된 상기 덮개체 하면과 상기 금속 전극 하면은, 부동태 보호막으로 덮여 있어도 좋다. 또한, 상기 처리 용기의 내부에 노출된 상기 덮개체 하면과 상기 금속 전극 하면의 중심선 평균 거칠기가, 예를 들면, 2.4㎛ 이하이며, 바람직하게는, 상기 처리 용기의 내부에 노출된 상기 덮개체 하면과 상기 금속 전극 하면의 중심선 평균 거칠기가 0.6㎛ 이하이다.
상기 덮개체 하면에 있어서, 상기 유전체에 인접하는 영역에, 상기 덮개체와 전기적으로 접속된 금속 커버가 부착되고, 상기 처리 용기의 내부에 노출된 상기 금속 커버 하면에, 전자파를 전반시키는 표면파 전반부가 형성되어 있어도 좋다. 그 경우, 상기 유전체의 측면이, 상기 금속 커버의 측면과 인접하고 있어도 좋다. 또한, 상기 처리 용기의 내부에 노출된 상기 금속 커버 하면과, 상기 금속 전극 하면이 동일면에 배치되어 있어도 좋다. 또한, 상기 처리 용기의 내부로부터 보아, 상기 금속 커버 하면의 형상과, 상기 금속 전극 하면의 형상이 실질적으로 동일해도 좋다. 또한, 상기 처리 용기의 내부에 노출된 상기 금속 커버 하면과 상기 금속 전극 하면의 중심선 평균 거칠기가, 예를 들면, 2.4㎛ 이하이며, 바람직하게는, 상기 처리 용기의 내부에 노출된 상기 금속 커버 하면과 상기 금속 전극 하면의 중심선 평균 거칠기가, 0.6㎛ 이하이다.
상기 유전체에 형성된 구멍을 관통하고, 상기 금속 전극을 상기 덮개체에 고정하는 복수의 접속 부재를 구비하고 있어도 좋다. 그 경우, 상기 유전체에 형성된 구멍의 적어도 일부에는, 상기 덮개체와 상기 금속 전극을 전기적으로 접속시키는 탄성 부재가 형성되어 있어도 좋다. 또한, 상기 접속 부재는, 예를 들면, 금속으로 이루어진다. 또한, 상기 처리 용기의 내부에 노출되는 상기 접속 부재의 하면이, 상기 금속 전극의 하면과 동일면에 배치되어 있어도 좋다. 또한, 상기 유전체는, 예를 들면, 실질적으로 사각형의 판 형상이고, 상기 접속 부재는, 상기 사각형의 대각선 상에 배치되어 있다. 또한, 상기 접속 부재는, 1개의 상기 유전체당 4개 형성되어 있어도 좋다.
상기 유전체 및 상기 금속 전극을, 상기 덮개체를 향하여 탄성 지지하는 탄성 부재를 가져도 좋다.
상기 덮개체 하면에는, 예를 들면, 연속하는 홈이 형성되어 있고, 상기 표면파 전반부 및 상기 복수의 유전체는, 홈으로 둘러싸인 영역 내에 배치되어도 좋다. 이 경우, 상기 홈에 의해, 상기 표면파 전반부가 구획되어 있어도 좋다. 혹은, 상기 처리 용기의 내면에는, 예를 들면, 연속하는 볼록부가 형성되어 있고, 상기 표면파 전반부 및 상기 복수의 유전체는, 볼록부로 둘러싸인 영역 내에 배치되어도 좋다. 이 경우, 상기 볼록부에 의해, 상기 표면파 전반부가 구획되어 있어도 좋다.
상기 유전체의 상부에는, 상기 유전체를 관통하지 않고, 상기 유전체의 상면에 하단이 인접 또는 근접한, 전자파를 상기 유전체에게 전하는 1개 또는 복수의 금속 막대를 구비해도 좋다. 그 경우, 상기 금속 막대는, 상기 유전체의 중앙부에 배치되어 있어도 좋다. 또한, 상기 유전체와 상기 덮개체와의 사이에, 상기 처리 용기의 내부와 외부와의 분위기를 갈라 놓는 봉지(封止) 부재를 구비하고 있어도 좋다.
또한, 상기 유전체의 노출 부분의 면적이, 예를 들면, 상기 표면파 전반부의 면적의 1/2 이하이며, 바람직하게는, 상기 유전체의 노출 부분의 면적이, 상기 표면파 전반부의 면적의 1/5 이하이다. 또한, 상기 표면파 전반부에, 처리 용기에 소정의 가스를 방출시키는 가스 방출부를 가져도 좋다. 또한, 상기 유전체의 노출 부분의 면적이, 예를 들면, 기판 상면의 면적의 1/5 이하이다. 또한, 상기 전자파원으로부터 공급되는 전자파의 주파수가, 예를 들면, 2GHz 이하이다.
본 발명에 의하면, 처리 용기의 내부에 노출되어 있는 유전체의 주위에 형성되는 표면파 전반부의 형상이나 크기가 거의 동일하게 되어, 도체 표면파에 의해 처리 용기 내에 여기되는 플라즈마가 균일해진다. 그 결과, 기판의 처리면 전체에 균일한 처리를 할 수 있게 된다. 또한, 유전체 주위에 배치시킨 표면파 전반부를 따라서 전반시킨 전자파(도체 표면파)로 플라즈마를 여기시킬 수 있기 때문에, 유전체의 사용량을 대폭으로 줄이는 것이 가능해진다. 또한, 처리 용기의 내부에 노출되는 유전체의 노출 면적을 줄임으로써, 유전체의 과열에 의한 유전체의 파손이나 에칭 등이 억제됨과 함께, 처리 용기 내면으로부터의 금속 오염의 발생이 없어진다. 특히, 2GHz 이하의 주파수의 전자파를 이용했을 경우, 2.45GHz의 주파수의 마이크로파를 이용했을 경우와 비교하여, 안정적이고 전자 온도가 낮은 플라즈마를 얻기 위한 하한의 전자 밀도를 약 1/7로 할 수 있어, 지금까지 사용할 수 없었던 보다 광범위한 조건으로 플라즈마 처리에 적합한 플라즈마를 얻을 수 있게 되고, 처리 장치의 범용성을 현저하게 향상시킬 수 있다. 이 결과, 1대의 처리 장치로 처리 조건이 상이한 복수의 연속된 처리를 행하는 것이 가능해져, 고품질의 제품을 단시간에 저비용으로 제조하는 것이 가능해진다.
도 1은 본 발명의 실시 형태에 따른 플라즈마 처리 장치의 개략적인 구성을 나타낸 종단면도(도 2~4 중의 D-O'-O-E 단면)이다.
도 2는 도 1 중의 A-A 단면도이다.
도 3은 도 1 중의 B-B 단면도이다.
도 4는 도 1 중의 C-C 단면도이다.
도 5는 도 1 중의 F 부분의 확대도이다.
도 6은 도 1 중의 G 부분의 확대도이다.
도 7은 유전체(25)의 평면도이다.
도 8은 표면파 전반부에 있어서, 도체 표면파가 전반해 가는 상태의 설명도이다.
도 9는 도체 표면파의 전반 모델의 설명도이다.
도 10은 홈의 설명도이다.
도 11은 플라즈마 처리 중의 처리 용기 내의 플라즈마의 상태를 개략적으로 나타낸 설명도이다.
도 12는 전자계(electromagnetic field) 시뮬레이션에 의해 구한 시스 중의 마이크로파 전계(electric field)의 정재파(standing wave) 분포의 설명도이다.
도 13은 도 12의 직선 A-B에 있어서의 시스 중의 마이크로파 전계 강도 분포를 나타내는 그래프이다.
도 14는 금속 커버 각부(角部)의 규격화 전계 강도를 나타내는 그래프이다.
도 15는 변형예 1에 따른 플라즈마 처리 장치의 덮개체의 하면도이다.
도 16은 변형예 2에 따른 플라즈마 처리 장치의 개략적인 구성을 나타낸 종단면도(도 17 중의 D-O'-O-E 단면)이다.
도 17은 도 16 중의 A-A 단면도이다.
도 18은 변형예 3에 따른 플라즈마 처리 장치의 개략적인 구성을 나타낸 종단면도(도 19 중의 D-O'-O-E 단면)이다.
도 19는 도 18 중의 A-A 단면도이다.
도 20은 변형예 4에 따른 플라즈마 처리 장치의 개략적인 구성을 나타낸 종단면도(도 21 중의 D-O'-O-E 단면)이다.
도 21은 도 20 중의 A-A 단면도이다.
도 22는 유전체의 외연이, 처리 용기의 내부로부터 보아, 금속 전극의 외연보다도 내측에 있는 변형예의 설명도이다.
도 23은 금속 커버의 측면에, 유전체의 외연을 수용하는 오목부를 형성한 변형예의 설명도이다.
도 24는 덮개체 하면의 오목부에 유전체를 삽입한 변형예의 설명도이다.
도 25는 덮개체 하면의 오목부에 유전체를 삽입한 다른 변형예의 설명도이다.
도 26은 유전체의 주위에 있어서, 평면 형상의 덮개체를 노출시킨 변형예의 설명도이다.
도 27은 유전체의 주위에 있어서, 평면 형상의 덮개체를 노출시킨 다른 변형 예의 설명도이다.
도 28은 유전체의 주위에 있어서, 평면 형상의 덮개체를 노출시킨 또 다른 변형예의 설명도이다.
도 29는 마름모형인 유전체의 설명도이다.
도 30은 정삼각형인 유전체를 이용한 변형예에 따른 플라즈마 처리 장치의 덮개체의 하면도이다.
도 31은 탄성 부재를 이용한 접속 부재의 구조의 설명도이다.
도 32는 접시 스프링을 이용한 접속 부재의 구조의 설명도이다.
도 33은 O링을 이용하여 시일(seal)한 접속 부재의 구조의 설명도이다.
도 34는 테이퍼 와셔(tapered washer)를 이용한 접속 부재의 구조의 설명도이다.
도 35는 플라즈마 도핑(doping)을 행하는 경우의, 기판 상에 발생시키는 자기 바이어스 전압의 주기를 설명하기 위한 그래프이다.
도 36은 플라즈마 도핑에 의해 2차 전자가 발생하는 상태의 설명도이다.
도 37은 변형예 5에 따른 플라즈마 처리 장치의 개략적인 구성을 나타낸 종단면도이다.
(발명을 실시하기 위한 최량의 형태)
이하, 본 발명의 실시 형태를, 전자파의 일 예로서 마이크로파를 이용한 플라즈마 처리 장치(1)에 기초하여 설명한다.
(플라즈마 처리 장치(1)의 기본 구성)
도 1은 본 발명의 실시 형태에 따른 플라즈마 처리 장치(1)의 개략적인 구성을 나타낸 종단면도(도 2~4 중의 D-O'-O-E 단면)이다. 도 2는 도 1 중의 A-A 단면도이다. 도 3은 도 1 중의 B-B 단면도이다. 도 4는 도 1 중의 C-C 단면도이다. 도 5는 도 1 중의 F부분의 확대도이다. 도 6은 도 1 중의 G부분의 확대도이다. 도 7은 이 실시 형태에서 사용되는 유전체(25)의 평면도이다. 또한, 본 명세서 및 도면에 있어서, 실질적으로 동일한 기능 구성을 갖는 구성 요소에 대해서는, 동일한 부호를 붙임으로써 중복 설명을 생략한다.
이 플라즈마 처리 장치(1)는, 중공(中空)의 용기 본체(2)와, 이 용기 본체(2)의 상방에 부착된 덮개체(3)로 구성되는 처리 용기(4)를 구비하고 있다. 처리 용기(4)의 내부에는 밀폐 공간이 형성되어 있다. 처리 용기(4) 전체(용기 본체(2) 및 덮개체(3))는 도전성을 갖는 재료, 예를 들면 알루미늄 합금으로 이루어지고, 전기적으로 접지된 상태로 되어 있다.
처리 용기(4)의 내부에는, 기판으로서 반도체 기판이나 유리 기판(이하 「기판」이라고 함)(G)을 올려놓기 위한 재치대(holding stage)로서의 서셉터(10)가 형성되어 있다. 이 서셉터(10)는 예를 들면 질화 알루미늄으로 이루어지고, 그 내부에는, 기판(G)를 정전(electrostatic) 흡착함과 함께 처리 용기(4)의 내부에 소정의 바이어스 전압을 인가시키기 위한 급전부(11)와, 기판(G)을 소정의 온도로 가열하는 히터(12)가 형성되어 있다. 급전부(11)에는, 처리 용기(4)의 외부에 형성된 바이어스 인가용의 고주파 전원(13)이, 콘덴서 등을 구비한 정합기(14)를 통하여 접속됨과 함께, 정전 흡착용의 고압 직류 전원(15)이 코일(16)을 통하여 접속되어 있다. 히터(12)에는, 동일하게 처리 용기(4)의 외부에 형성된 교류 전원(17)이 접속되어 있다.
처리 용기(4)의 저부(底部)에는, 처리 용기(4)의 외부에 형성된 진공 펌프 등의 배기 장치(도시하지 않음)에 의해 처리 용기(4) 내의 분위기를 배기하기 위한 배기구(20)가 형성되어 있다. 또한, 서셉터(10)의 주위에는, 처리 용기(4)의 내부에 있어서, 가스의 흐름을 바람직한 상태로 제어하기 위한 배플판(baffle plate; 21)이 형성되어 있다.
덮개체(3)의 하면에는, 예를 들면 Al2O3로 이루어지는 4개의 유전체(25)가 부착되어 있다. 유전체(25)로서, 예를 들면 불소 수지, 석영 등의 유전 재료를 이용할 수도 있다. 도 7에 나타내는 바와 같이, 유전체(25)는 정사각형의 판 형상으로 구성되어 있다. 유전체(25)의 네 모퉁이에는, 대각선에 대하여 직각으로 잘려진 평탄부(26)가 형성되어 있기 때문에, 엄밀하게는, 유전체(25)는 팔각형이다. 그러나, 유전체(25)의 폭(L)에 비해, 유전체(25)의 평탄부(26)의 길이(M)는 충분히 짧아, 유전체(25)는 실질적으로 정사각형이라고 간주할 수 있다.
도 2에 나타내는 바와 같이, 이들 4개의 유전체(25)는, 서로의 꼭지각끼리(평탄부(26)끼리)를 인접시키도록 배치되어 있다. 또한, 서로 이웃하는 유전체(25)끼리에 있어서, 중심점(O')을 잇는 선(L') 상에, 각 유전체(25)의 꼭지각이 인접하여 배치된다. 이와 같이 4개의 유전체(25)를, 서로의 꼭지각끼리를 인접시키고, 그리고, 서로 이웃하는 유전체(25)끼리에 있어서, 중심점(O')을 잇는 선상에, 각 유전체(25)의 꼭지각이 인접하도록 배치함으로써, 4개의 유전체(25)에 둘러싸인 덮개체(3)의 하면 중앙에, 정사각형의 영역(S)이 형성된다.
각 유전체(25)의 하면에는, 금속 전극(27)이 부착되어 있다. 금속 전극(27)은, 도전성을 갖는 재료, 예를 들면 알루미늄 합금으로 이루어진다. 유전체(25)와 동일하게, 금속 전극(27)도 정사각형의 판 형상으로 구성되어 있다. 또한, 본원 명세서에서는, 이와 같이 각 유전체(25)의 하면에 부착된 판 형상의 금속 부재를, 「금속 전극」이라고 부른다. 단, 금속 전극(27)의 폭(N)은, 유전체(25)의 폭(L)에 비해 약간 짧다. 이 때문에, 처리 용기의 내부로부터 보면, 금속 전극(27)의 주위에는, 유전체(25)의 주변부가 정사각형의 윤곽을 나타내는 상태로 노출되어 있다. 그리고, 처리 용기(4)의 내부로부터 보면, 유전체(25)의 주변부에 의해 형성된 정사각형의 윤곽의 꼭지각끼리를 인접시켜 배치되어 있다.
유전체(25) 및 금속 전극(27)은, 나사 등의 접속 부재(30)에 의해, 덮개체(3)의 하면에 부착되어 있다. 처리 용기의 내부에 노출되어 있는 접속 부재(30)의 하면(31)은, 금속 전극(27)의 하면과 동일면으로 되어 있다. 또한, 접속 부재(30)의 하면(31)은, 반드시 금속 전극(27)의 하면과 동일면이 아니라도 좋다. 유전체(25)에 대한 접속 부재(30)의 관통 개소에는, 링 형상의 스페이서(spacer; 29)가 배치되어 있다. 이 스페이서(29)의 위에는 웨이브 와셔(wave washer) 등의 탄성 부재(29')가 배치되어, 유전체(25)의 상하면에 간극(gap)이 없는 상태로 되어 있다. 유전체(25)의 상하면에 제어되지 않는 간극이 있으면, 유전체(25)를 전반하는 마이크로파의 파장이 불안정하게 되어, 전체적으로 플라즈마의 균일성이 나빠지거나, 마이크로파 입력측으로부터 본 부하(load) 임피던스가 불안정해져 버린다. 또한, 간극이 크면, 방전되기도 한다. 유전체(25) 및 금속 전극(27)을 덮개체(3)의 하면에 밀착시키고 그리고 접속부에서 확실히 전기적, 열적으로 접촉시키기 위해, 접속부에 탄성이 있는 부재를 이용할 필요가 있다. 탄성 부재(29')는, 예를 들면, 웨이브 와셔, 스프링 와셔, 접시 스프링, 실드 스파이럴(shield spiral) 등 이라도 좋다. 재질은, 스테인리스 스틸, 알루미늄 합금 등이다. 접속 부재(30)는 도전성의 금속 등으로 구성되고, 금속 전극(27)은, 접속 부재(30)를 통하여 덮개체(3)의 하면에 전기적으로 접속되며, 전기적으로 접지된 상태로 되어 있다. 접속 부재(30)는, 예를 들면, 사각형으로 구성된 금속 전극(27)의 대각선 상에 4개소에 배치되어 있다.
접속 부재(30)의 상단은, 덮개체(3)의 내부에 형성된 공간부(32)에 돌출되어 있다. 이와 같이 공간부(32)에 돌출된 접속 부재(30)의 상단에는, 스프링 와셔, 웨이브 와셔 등의 탄성 부재(35)를 개재하고 너트(36)가 부착되어 있다. 이 탄성 부재(35)의 탄성에 의해, 유전체(25) 및 금속 전극(27)은, 덮개체(3)의 하면에 밀착되도록 탄성 지지되어 있다. 이 경우, 덮개체(3)의 하면에 대한 유전체(25) 및 금속 전극(27)의 밀착력의 조정은, 너트(36)의 조정에 의해 용이하게 행해진다.
덮개체(3) 하면과 유전체(25) 상면과의 사이에는, 봉지 부재로서의 O링(37)이 배치되어 있다. O링(37)은, 예를 들면 메탈 O링이다. 후술하는 바와 같이, 이 O링(37)에 의해, 처리 용기(4)의 내부 분위기가, 동축관(86)의 내부 분위기와 차단되어, 처리 용기(4)의 내부와 외부와의 분위기가 격리되어 있다.
접속 부재(30)의 중심부에는, 종방향의 가스 유로(40)가 형성되어 있고, 유전체(25)와 금속 전극(27)과의 사이에는, 횡방향의 가스 유로(41)가 형성되어 있다. 금속 전극(27)의 하면에는, 복수의 가스 방출공(42)이 분산되어 개구되어 있다. 후술하는 바와 같이, 덮개체(3) 내의 공간부(32)에 공급된 소정의 가스가, 가스 유로(40, 41) 및 가스 방출공(42)을 통과하여, 처리 용기(4)의 내부를 향하여 분산되어 공급되도록 되어 있다.
4개의 유전체(25)에 둘러싸인 덮개체(3)의 하면 중앙의 영역(S)에는, 금속 커버(45)가 부착되어 있다. 이 금속 커버(45)는, 도전성을 갖는 재료, 예를 들면 알루미늄 합금으로 이루어지고, 덮개체(3)의 하면에 전기적으로 접속되며, 전기적으로 접지된 상태로 되어 있다. 금속 커버(45)는, 금속 전극(27)과 동일하게, 폭(N)의 정사각형의 판 형상으로 구성되어 있다.
금속 커버(45)는, 유전체(25)와 금속 전극(27)의 합계 정도의 두께를 갖는다. 이 때문에, 금속 커버(45) 하면과 금속 전극(27) 하면은, 동일면으로 되어 있다.
금속 커버(45)는, 나사 등의 접속 부재(46)에 의해, 덮개체(3)의 하면에 부착되어 있다. 처리 용기의 내부에 노출되어 있는 접속 부재(46)의 하면(47)은, 금속 커버(45)의 하면과 동일면으로 되어 있다. 또한, 접속 부재(46)의 하면(47)은, 반드시 금속 커버(45)의 하면과 동일면이 아니라도 좋다. 접속 부재(46)는, 예를 들면, 사각형으로 구성된 금속 커버(45)의 대각선 상에 4개소에 배치되어 있다. 가스 방출공(52)을 균등하게 배치하기 위해, 유전체(25)의 중심과 접속 부재(46)의 중심 간의 거리는, 서로 이웃하는 유전체(25)의 중심 간의 거리(L')의 1/4로 설정되어 있다.
접속 부재(46)의 상단은, 덮개체(3)의 내부에 형성된 공간부(32)에 돌출되어 있다. 이와 같이 공간부(32)에 돌출된 접속 부재(46)의 상단에는, 스프링 와셔, 웨이브 와셔 등의 탄성 부재(48)를 개재하고 너트(49)가 부착되어 있다. 이 탄성 부재(48)의 탄성에 의해, 금속 커버(45)는, 덮개체(3)의 하면에 밀착되도록 탄성 지지되어 있다.
접속 부재(46)의 중심부에는, 종방향의 가스 유로(50)가 형성되어 있고, 덮개체(3) 하면과 금속 커버(45)와의 사이에는, 횡방향의 가스 유로(51)가 형성되어 있다. 금속 커버(45)의 하면에는, 복수의 가스 방출공(52)이 분산되어 개구되어 있다. 후술하는 바와 같이, 덮개체(3) 내의 공간부(32)에 공급된 소정의 가스가, 가스 유로(50, 51) 및 가스 방출공(52)을 통과하여, 처리 용기(4)의 내부를 향하여 분산되어 공급되도록 되어 있다.
덮개체(3)의 하면에 있어서, 4개의 유전체(25)의 외측의 영역에는, 사이드 커버(side cover; 55)가 부착되어 있다. 이 사이드 커버(55)는, 도전성을 갖는 재료, 예를 들면 알루미늄 합금으로 이루어지고, 덮개체(3)의 하면에 전기적으로 접속되며, 전기적으로 접지된 상태로 되어 있다. 사이드 커버(55)도, 유전체(25)와 금속 전극(27)의 합계 정도의 두께를 갖는다. 이 때문에, 사이드 커버(55) 하면은, 금속 커버(45) 하면 및 금속 전극(27) 하면과 동일면으로 되어 있다.
사이드 커버(55)의 하면에는, 4개의 유전체(25)를 둘러싸도록 배치된 2중의 홈(56, 57)이 형성되어 있고, 이들 2중의 홈(56, 57)으로 나누어진 내측의 영역에 있어서, 사이드 커버(55)에는, 4개의 사이드 커버 내측 부분(58)이 형성되어 있다. 이들 사이드 커버 내측 부분(58)은, 처리 용기(4)의 내부로부터 본 상태에 있어서, 금속 커버(45)를 대각선으로 이등분한 직각 이등변 삼각형과 거의 동일한 형상을 갖고 있다. 단, 사이드 커버 내측 부분(58)의 이등변 삼각형의 높이는, 금속 커버(45)를 대각선으로 이등분한 이등변 삼각형의 높이보다도, 약간(도체 표면파의 파장의 1/4 정도) 길게 되어 있다. 이는, 도체 표면파로부터 본 이등변 삼각형의 밑변부에 있어서의 전기적인 경계 조건이, 양자(兩者)에서 상이하기 때문이다.
또한, 본 실시 형태에 있어서는, 홈(56, 57)은 처리 용기 내부로부터 보면 팔각형의 형상으로 되어 있지만, 사각형의 형상으로 되어 있어도 좋다. 이렇게 하면, 사각형의 홈(56, 57)의 모서리와 유전체(25)와의 사이에도, 동일한 직각 이등변 삼각형의 영역이 형성된다. 또한 홈(56, 57)으로 나누어진 외측의 영역에 있어서, 사이드 커버(55)에는, 덮개체(3) 하면의 주변부를 덮는 사이드 커버 외측 부분(59)이 형성되어 있다.
후술하는 바와 같이, 플라즈마 처리 중, 마이크로파 공급 장치(85)로부터 각 유전체(25)에 전반된 마이크로파는, 덮개체(3)의 하면에 노출되어 있는 유전체(25)의 주위로부터 금속 커버(45) 하면, 금속 전극(27) 하면 및 사이드 커버 내측 부분(58) 하면을 따라서 전반시킬 수 있다. 그때, 홈(56, 57)은, 사이드 커버 내측 부분(58) 하면을 따라서 전반된 마이크로파(도체 표면파)가, 홈(56, 57)을 넘어 외측(사이드 커버 외측 부분(59))에 전반시키지 않도록 하기 위한, 전반 장해부로서 기능한다. 이 때문에, 본 실시 형태에서는, 덮개체(3)의 하면에 있어서 홈(56, 57)으로 둘러싸인 영역인 금속 커버(45) 하면, 금속 전극(27) 하면 및 사이드 커버 내측 부분(58) 하면이 표면파 전반부가 된다.
사이드 커버(55)는, 나사 등의 접속 부재(65)에 의해, 덮개체(3)의 하면에 부착되어 있다. 처리 용기의 내부에 노출되어 있는 접속 부재(65)의 하면(66)은, 사이드 커버(55)의 하면과 동일면으로 되어 있다. 또한, 접속 부재(65)의 하면(66)은, 반드시 사이드 커버(55)의 하면과 동일면이 아니라도 좋다.
접속 부재(65)의 상단은, 덮개체(3)의 내부에 형성된 공간부(32)에 돌출되어 있다. 이와 같이 공간부(32)에 돌출된 접속 부재(65)의 상단에는, 스프링 와셔, 웨이브 와셔 등의 탄성 부재(67)를 개재하고 너트(68)가 부착되어 있다. 이 탄성 부재(67)의 탄성에 의해, 사이드 커버(55)는, 덮개체(3)의 하면에 밀착되도록 탄성 지지되어 있다.
접속 부재(65)의 중심부에는, 종방향의 가스 유로(70)가 형성되어 있고, 덮개체(3) 하면과 사이드 커버(55)와의 사이에는, 횡방향의 가스 유로(71)가 형성되어 있다. 사이드 커버(55)의 하면에는, 복수의 가스 방출공(72)이 분산되어 개구되어 있다. 후술하는 바와 같이, 덮개체(3) 내의 공간부(32)에 공급된 소정의 가스가, 가스 유로(70, 71) 및 가스 방출공(72)을 통과하여, 처리 용기(4)의 내부를 향하여 분산되어 공급되도록 되어 있다.
덮개체(3)의 표면 중앙에는, 처리 용기(4)의 외부에 배치된 마이크로파 공급 장치(85)로부터 공급되는 마이크로파를 전송시키는 동축관(86)이 접속되어 있다. 동축관(86)은, 내부 도체(87)와 외부 도체(88)에 의해 구성되어 있다. 내부 도체(87)는, 덮개체(3)의 내부에 배치된 분기판(90)에 접속되어 있다.
도 4에 나타내는 바와 같이, 분기판(90)은, 내부 도체(87)와의 연결 위치를 중심으로 하는 4개의 지도체(枝導體; 91)를 십자 형상으로 배치한 구성이다. 각 지도체(91)의 선단(front end) 하면에는, 금속 막대(92)가 부착되어 있다. 이들 동축관(86), 분기판(90), 금속 막대(92)는, Cu 등의 도전성 부재에 의해 형성된다.
금속 막대(92)의 상단에는, 덮개체(3)의 상부에 형성된 스프링(93)의 누름힘이, 지주(支柱; 94)를 통하여 가해지고 있다. 금속 막대(92)의 하단은, 덮개체(3)의 하면에 부착된 유전체(25)의 상면 중앙에 맞닿아 있다. 유전체(25)의 상면 중앙에는, 금속 막대(92)의 하단을 받는 오목부(95)가 형성되어 있다. 스프링(93)의 누름힘에 의해, 금속 막대(92)는, 하단을 유전체(25) 상면 중앙의 오목부(95)에 삽입시킨 상태로, 유전체(25)를 관통하지 않고 위로부터 내리눌려지고 있다. 지주(94)는, 테플론(등록 상표) 등의 절연체로 이루어진다. 또한, 오목부(95)를 형성하면 마이크로파 입력측으로부터 본 반사를 억제할 수 있지만, 없어도 좋다.
마이크로파 공급 장치(85)로부터는, 주파수가 2GHz 이하인 마이크로파로서 예를 들면 915MHz의 주파수를 가진 마이크로파가, 동축관(86)에 대하여 도입되도록 되어 있다. 이에 따라, 915MHz의 마이크로파가, 분기판(90)으로 분기되어, 금속 막대(92)를 통하여 각 유전체(25)에 전송된다.
덮개체(3)의 상면에는, 플라즈마 처리에 필요한 소정의 가스의 공급용의 가스 배관(100)이 접속되어 있다. 또한, 덮개체(3)의 내부에는, 냉매 공급용의 냉매 배관(101)이 형성되어 있다. 처리 용기(4)의 외부에 배치된 가스 공급원(102)으로부터 가스 배관(100)을 통하여 공급된 소정의 가스는, 덮개체(3) 내의 공간부(32)에 공급된 후, 가스 유로(40, 41, 50, 51, 70, 71) 및 가스 방출공(42, 52, 72)을 통과하여, 처리 용기(4)의 내부를 향하여 분산되어 공급되도록 되어 있다.
냉매 배관(101)에는, 처리 용기(4)의 외부에 배치된 냉매 공급원(103)이 배관(104)에 의해 접속되어 있다. 배관(104)을 통하여 냉매 공급원(103)으로부터 냉매 배관(101)에 냉매가 공급됨으로써, 덮개체(3)는 소정의 온도로 유지되고 있다.
(플라즈마 처리 장치(1)에 있어서의 플라즈마 처리)
이상과 같이 구성된 본 발명의 실시 형태에 따른 플라즈마 처리 장치(1)에 있어서, 예를 들면 기판(G)의 상면에 아몰퍼스(amorphous) 실리콘이 성막되는 경우에 대해서 설명한다. 우선, 기판(G)이 처리 용기(4)의 내부에 반입되어, 서셉터(10) 상에 기판(G)이 올려놓여진다. 그 후, 밀폐된 처리 용기(4) 내에 있어서 소정의 플라즈마 처리가 행해진다.
플라즈마 처리 중은, 가스 공급원(102)으로부터 가스 배관(100), 공간부(32), 가스 유로(40, 41, 50, 51, 70, 71) 및 가스 방출공(42, 52, 72)을 거쳐, 플라즈마 처리에 필요한 예를 들면 아르곤 가스/실란 가스/수소의 혼합 가스가 처리 용기(4) 내에 공급된다. 또한, 배기구(20)로부터 배기되어, 처리 용기(4) 내가 소정의 압력으로 설정된다. 이 실시 형태에 따른 플라즈마 처리 장치(1)에 있어서는, 전술한 바와 같이, 처리 용기(4)의 내부에 노출되어 있는 금속 커버(45) 하면, 금속 전극(27) 하면 및 사이드 커버(55) 하면의 전체에 가스 방출공(42, 52, 72)이 세밀하게 분포되어 형성되어 있다. 이에 따라, 플라즈마 처리 중은, 덮개체(3) 하면 전체에 배치시킨 각 가스 방출공(42, 52, 72)으로부터, 기판(G)의 처리면 전체에 샤워 플레이트와 같은 상태로 소정의 가스를 균일하게 공급할 수 있어, 서셉터(10) 상에 올려놓여진 기판(G)의 표면 전체에 소정의 가스를 빠짐없이 공급하는 것이 가능해진다.
그리고, 이와 같이 소정의 가스가 처리 용기(4) 내에 공급되는 한편으로, 히터(12)에 의해 기판(G)이 소정의 온도로 가열된다. 또한, 마이크로파 공급 장치(85)에서 발생한 예를 들면 915MHz의 마이크로파가, 동축관(86), 분기판(90) 및 전극 막대(92)를 통하여, 각 유전체(25) 중에 전송된다. 그리고, 각 유전체(25)를 투과한 마이크로파가, 도체 표면파 상태로, 표면파 전반부인 금속 커버(45) 하면, 금속 전극(27) 하면 및 사이드 커버 내측 부분(58) 하면을 따라서 전반되어 간다.
여기에서, 도 8은, 표면파 전반부인 금속 커버(45) 하면, 금속 전극(27) 하면 및 사이드 커버 내측 부분(58) 하면에 있어서, 도체 표면파가 전반해 가는 상태의 설명도이다. 플라즈마 처리 중, 도체 표면파(마이크로파)(W)는, 덮개체(3)의 하면에 있어서 격자 형상으로 노출되어 있는 유전체(25)를 투과하여, 금속 커버(45) 하면, 금속 전극(27) 하면 및 사이드 커버 내측 부분(58) 하면을 따라서 전반된다. 이 경우, 금속 커버(45)와 금속 전극(27)은, 모두 면적이 거의 동일한 정사각형이고, 또한, 금속 커버(45)와 금속 전극(27)은, 모두, 처리 용기 내에 노출되어 있는 유전체(25)의 부분(주변부)으로 네변을 둘러싸인 상태로 되어 있다. 이 때문에, 금속 커버(45)와 금속 전극(27)에 대하여는, 유전체(25)를 투과한 도체 표면파(W)가 거의 동일한 상태로 전반된다. 그 결과, 금속 커버(45) 하면과 금속 전극(27) 하면에 있어서는, 전체적으로 균일한 조건으로 마이크로파의 파워에 의해 플라즈마를 생성시킬 수 있다.
한편, 금속 커버(45)와 금속 전극(27)이, 처리 용기 내에 노출되어 있는 유전체(25)의 부분(주변부)으로 네변을 둘러싸인 상태로 되어 있는 데에 대하여, 사이드 커버 내측 부분(58)은, 처리 용기 내에 노출되어 있는 유전체(25)의 부분(주변부)으로 두변만이 둘러싸인 상태로 되어 있다. 이 때문에, 사이드 커버 내측 부분(58) 하면에 대하여는, 금속 커버(45) 및 금속 전극(27)에 비해, 약 반 정도의 파워로 도체 표면파(W)가 전파된다. 그러나, 사이드 커버 내측 부분(58)은, 사이드 커버(55)를 대각선으로 이등분한 직각 이등변 삼각형과 거의 동일한 형상으로서, 사이드 커버 내측 부분(58)의 면적은, 금속 커버(45)와 금속 전극(27)의 면적의 거의 반이다. 이 때문에, 사이드 커버 내측 부분(58) 하면에 있어서도, 금속 커버(45) 하면 및 금속 전극(27) 하면과 동일한 조건으로 플라즈마를 생성시킬 수 있다.
또한, 처리 용기 내에 노출되어 있는 유전체(25)의 부분(주변부)을 중심으로 생각하면, 일부를 제외하면, 도 8에 나타내는 바와 같이, 처리 용기 내에 노출되어 있는 유전체(25)의 부분의 양측에는, 동일한 직각 이등변 삼각형으로 나타나는 표면파 전반부 부분(a)이 좌우 대칭으로 형성되어 있다. 이 때문에, 표면파 전반부 부분(a)에 대하여는, 모두 동일한 조건으로, 처리 용기 내에 노출되어 있는 유전체(25)의 부분으로부터 도체 표면파(W)가 전반된다. 그 결과, 표면파 전반부 전체(즉, 금속 커버(45) 하면, 금속 전극(27) 하면 및 사이드 커버 내측 부분(58) 하면 전체)에 있어서, 균일한 조건으로 마이크로파의 파워에 의해 플라즈마를 생성시킬 수 있다.
게다가, 이 플라즈마 처리 장치(1)에서는, 상술한 바와 같이, 처리 용기(4)의 내부에 노출되어 있는 금속 커버(45) 하면, 금속 전극(27) 하면 및 사이드 커버(55) 하면의 전체에 가스 방출공(42, 52, 72)이 세밀하게 분포되어 형성되어 있음으로써, 서셉터(10) 상에 올려놓여진 기판(G)의 표면 전체에 소정의 가스를 빠짐없이 공급할 수 있다. 이 때문에, 표면파 전반부인 금속 커버(45) 하면, 금속 전극(27) 하면 및 사이드 커버 내측 부분(58) 하면 전체에 있어서, 균일한 조건으로 마이크로파의 파워에 의해 플라즈마를 생성시킴으로써, 기판(G)의 처리면 전체에 더욱 균일한 플라즈마 처리를 행하는 것이 가능해진다.
(도체 표면파의 전반과 주파수와의 관계)
처리 용기(4) 내에 생성되는 플라즈마(P)의 유전율은, εr'－jεr''로 나타난다. 플라즈마(P)의 유전율에는 손실 성분도 있기 때문에 복소수로 표현된다. 플라즈마(P)의 유전율의 실수부(εr')는 통상 -1보다도 작다. 플라즈마(P)의 유전율은, 다음 식 (1)로 나타난다.
Figure 112010074643616-pct00001
또한, 플라즈마(P)에 마이크로파를 입사했을 때의 전반 특성은, 다음 식 (2)로 나타난다.
Figure 112010074643616-pct00002
여기에서, k는 파수(wave number), ko는 진공 중의 파수, ω는 마이크로파 각주파수, νc는 전자 충돌 주파수, ωpe는 다음 식 (3)으로 나타나는 전자 플라즈마 주파수이다.
Figure 112010074643616-pct00003
여기에서, e는 기본전하(elementary electric charge)、ne는 플라즈마(P)의 전자 밀도, ε0는 진공 중의 유전율, me는, 전자의 질량이다.
진입장(進入長; penetration length)(δ)은, 마이크로파를 입사했을 때, 마이크로파가 얼마나 플라즈마 내부에 입사 가능한지를 나타낸다. 구체적으로는, 마이크로파의 전계 강도(E)가 플라즈마(P)의 경계면에서의 전계 강도(E0)의 1/e로 감쇠되기까지에 진입한 거리가 진입장(δ)이다. 진입장(δ)은, 다음 식 (4)로 나타난다.
δ＝-1/Im(k)…(4)
k는, 전술한 바와 같이 파수이다.
전자 밀도(ne)가 다음 식 (5)로 나타나는 컷오프(cutoff) 밀도(nc)보다 큰 경우, 마이크로파는 플라즈마 중을 전반할 수 없어, 플라즈마(P)에 입사된 마이크로파는 급속히 감쇠된다.
nc＝ε0meω2/e2…(5)
삭제
식 (4)에 의하면, 진입장(δ)은, 수 ㎜~수 10㎜가 되며, 전자 밀도가 높을 수록 짧아진다. 또한, 전자 밀도(ne)가, 컷오프 밀도(nc)보다 충분히 큰 경우, 진입장(δ)은, 주파수에 그다지 의존하지 않는다.
한편, 플라즈마(P)의 시스 두께(t)는, 다음 식 (6)으로 나타난다.
Figure 112010074643616-pct00004
여기에서, Vp는 플라즈마 전위, kB는 볼츠만 정수, Te는 전자 온도, λD는 다음 식 (7)로 나타나는 데바이 길이(Debye length)이다. 데바이 길이(λD)는, 플라즈마 중의 전위의 흐트러짐이 얼마나 신속하게 감퇴하는지를 나타낸다.
Figure 112010074643616-pct00005
식 (6)에 의하면, 시스 두께(t)는, 수 10㎛~수 100㎛가 된다. 또한, 시스 두께(t)는 데바이 길이(λD)에 비례하는 것을 알 수 있다. 또한, 식 (6)에서는, 전자 밀도(ne)가 높을수록 데바이 길이(λD)는 짧아지는 것을 이해할 수 있다.
「도체 표면파의 파장, 감쇠량」
도체 표면파의 전반 모델로서, 도 9에 나타내는 바와 같이, 도체인 표면파 전반부(금속 커버(45), 금속 전극(27) 또는 사이드 커버 내측 부분(58))의 하면과 플라즈마(P)와의 사이에 형성된 무한하게 넓은, 두께(t)의 시스(g)를 z방향으로 도체 표면파(W)가 전반하는 경우에 대해서 설명한다. 시스(g)의 유전율을 εr＝1, 플라즈마(P)의 유전율을 εr'－jεr''로 한다. 맥스웰의 방정식으로부터, 도 9의 y방향의 자계(Hy)가 충족시키는 방정식을 유도하면, 다음과 같이 된다.
Figure 112010074643616-pct00006
단, h는 고유값이며, 시스의 내외에서 다음과 같이 나타난다.
Figure 112010074643616-pct00007
여기에서, γ는 전반 정수, hi는 시스(g) 중에 있어서의 고유값, he는 플라즈마(P) 중에 있어서의 고유값이다. 고유값(hi 및 he)은, 일반적으로는 복소수가 된다.
도체인 덮개체(3)의 하면에 있어서 z방향의 전계 강도가 0이 된다는 경계 조건으로부터, 식 (8)의 일반해는, 다음과 같이 된다.
Figure 112010074643616-pct00008
여기에서, A 및 B는 임의 정수이다.
시스(g)와 플라즈마(P)와의 경계에 있어서, 자계 및 전계의 접선 성분이 연속으로 되는 점에서 임의 정수를 소거하면, 이하의 특성 방정식이 유도된다.
Figure 112010074643616-pct00009
특성 방정식 (13) 중, 시스 두께(t)는 식 (6)으로부터, 플라즈마(P)의 유전율 εr'－jεr''는 식 (1)로부터 구해진다. 따라서, 연립 방정식 (13)을 풂으로써, 고유값(hi 및 he)이 각각 구해진다. 복수의 해가 존재하는 경우에는, 시스 내의 자계 분포가 쌍곡선 함수가 되는 해를 선택하면 좋다. 또한, 식 (9)로부터 전반 정수(γ)가 구해진다.
전반 정수(γ)는, 감쇠 정수(α)와 위상 정수(β)로부터, γ＝α＋jβ로 나타난다. 전반 정수의 정의로부터, 플라즈마의 전계 강도(E)는, 다음 식 (14)로 나타난다.
E＝E0×e-jγz＝E0e-α zej βz…(14)
여기에서, z는 도체 표면파(TM)의 전반 거리, E0는 전반 거리(z)가 0일 때의 전계 강도를 나타낸다. e-αz는 도체 표면파(TM)가 전반과 함께 지수 함수적으로 감쇠되는 효과를 나타내고, ej βz는 도체 표면파(TM)의 위상의 회전을 나타낸다. 또한, β＝2π/λc이기 때문에, 위상 정수(β)로부터 도체 표면파(TM)의 파장(λc)이 구해진다. 따라서, 전반 정수(γ)를 알면, 도체 표면파(TM)의 감쇠량과 도체 표면파(TM)의 파장(λc)을 산출할 수 있다. 또한, 감쇠 정수(α)의 단위는, Np(네퍼)/m이며, 뒤에 나타내는 각 그래프의 단위(dB/m)와는, 이하의 관계가 있다.
1Np/m＝20/ln(10)dB/m＝8.686dB/m
이러한 식을 이용하여, 마이크로파 주파수가 915MHz, 전자 온도(Te)가 2eV, 플라즈마 전위(Vp)가 24V, 전자 밀도(ne)가 1×1011㎝-3, 4×1011㎝-3, 1×1012㎝- 3 일 때의 진입장(δ), 시스 두께(t), 도체 표면파(TM)의 파장(λc)을 각각 계산했다. 그 결과를 다음 표에 나타낸다.
Figure 112010074643616-pct00010
도체 표면파는, 어느 전자 밀도 이하에서는 컷오프가 되어 전반될 수 없다. 이 전자 밀도를 도체 표면파 공명(resonance) 밀도(nr) 라고 하며, 식 (5)로 나타나는 컷오프 밀도의 2배의 값이 된다. 컷오프 밀도는 주파수의 제곱에 비례하기 때문에, 도체 표면파는 주파수가 낮을수록 낮은 전자 밀도라도 전반된다.
도체 표면파 공명 밀도(nr)의 값을 계산하면, 2.45GHz일 때 1.5×1011㎝-3이 된다. 실제의 플라즈마 처리 조건에서는, 표면 부근의 전자 밀도가 1×1011㎝-3 이하가 되는 경우가 있지만, 이러한 조건에서는 도체 표면파가 전반되지 않는다. 한편, 915MHz일 때에는 2.1×1010㎝-3가 되어, 2.45GHz인 경우의 약 1/7이 된다. 915MHz에서는, 표면 부근의 전자 밀도가 1×1011㎝-3 이하가 되어도 도체 표면파가 전반된다. 이와 같이, 표면 부근의 전자 밀도가 1×1011㎝-3 정도의 저밀도 플라즈마에 있어서도 표면파를 전반시키는 데에는, 2GHz 이하의 주파수를 선택할 필요가 있다.
또한, 도체 표면파의 감쇠량은, 주파수를 낮추면 감소한다. 이는, 다음과 같이 설명된다. 식 (1)에 의하면, 주파수를 낮추면 플라즈마(P)의 유전율의 실수부(εr')가 부(負)로 커져, 플라즈마 임피던스가 작아지는 것을 알 수 있다. 따라서, 플라즈마에 걸리는 마이크로파 전계가 시스에 걸리는 마이크로파 전계와 비교하여 약해져, 플라즈마 중에 있어서의 마이크로파의 손실이 작아지기 때문에, 도체 표면파(TM)의 감쇠량이 감소한다.
도체 표면파를 플라즈마의 생성에 이용하려고 했을 경우, 마이크로파의 주파수로서 너무 높은 주파수를 선택하면, 도체 표면파가 필요한 개소까지 전반되지 않기 때문에 균일한 플라즈마를 생성할 수 없다. 도체 표면파를 이용하여 균일한 플라즈마를 여기하는 데에는, 2GHz 이하 정도의 주파수를 선택할 필요가 있다.
한편, 도 1에 나타낸 플라즈마 처리 장치(1)에 있어서, 유전체(25)로부터 방출된 도체 표면파가 처리 용기(4)의 내벽(용기 본체(2)의 내면)을 따라서 기판(G)의 주변까지 전반되어 버리면, 처리 용기(4) 내에 생성되는 플라즈마(P)가 불균일해져 프로세스의 균일성이 악화된다. 즉, 이 실시 형태에 따른 플라즈마 처리 장치(1)에 의하면, 2GHz 이하의 마이크로파를 사용함으로써, 유전체(25)의 주위로부터 표면파 전반부(금속 커버(45) 하면, 금속 전극(27) 하면 및 사이드 커버 내측 부분(58) 하면) 전체에 전반시킨 도체 표면파에 의해 균일한 플라즈마(P)를 생성시킬 수 있다. 그러나 한편으로, 도체 표면파가 부적절한 위치까지 전반되면, 처리 용기(4) 내에 생성되는 플라즈마(P)가 불균일해지는 요인이 될 우려가 있다. 또한, 도체 표면파가 게이트 밸브(gate valve)나 뷰포트에까지 전반되면, 도체 표면파(TM)가 갖는 에너지에 의해, 이러한 기기의 근방에 형성된 O링이 소실되거나, 이러한 기기의 바로 옆에서 플라즈마가 생성되어, 기기 표면에 반응 생성물이 부착하여 불편을 발생시킬 우려가 있다. 그래서, 이 실시 형태의 플라즈마 처리 장치(1)에서는, 2중의 홈(56, 57)으로 나누어진 내측의 영역에 4개의 유전체(25)를 배치하여, 표면파 전반부가 2중의 홈(56, 57)으로 둘러싸인 영역 내에 형성되어 있다. 이에 따라, 홈(56, 57)으로 둘러싸인 표면파 전반부에만 도체 표면파를 유효하게 전반시킬 수 있다.
도 10에 나타낸 바와 같이, 단면이 대략 사각 형상의 홈(56, 57)을 선택했을 경우, 홈(56, 57)의 폭을 W, 깊이를 D로 하면, 홈(56, 57)의 애스펙트비(aspect ratio; D/W)는, 도체 표면파의 전반을 억제하기 위해서는, 홈(56, 57)의 애스펙트비(D/W)를, 0.26≤D/W≤5를 충족시키도록 정할 필요가 있다. 또한, 홈(56, 57)의 폭(W)은, 시스 두께(t)의 2배보다 크게(2t＜W), 진입장(δ)의 2배보다 작을(2δ＞W) 필요가 있다. 또한, 홈(56, 57)의 코너부(도 10의 코너(Ca, Cb))나 에지부(edge portion; 도 10의 에지(E))에서는, 임피던스가 불연속이 되기 때문에 전반되는 도체 표면파의 일부가 반사된다. 코너부나 에지부의 모서리가 둥글어지면 임피던스의 불연속성이 완화되기 때문에, 투과량이 증가한다. 특히, 코너부나 에지부의 곡율 반경(R)이 도체 표면파의 파장에 대하여 무시할 수 없는 정도로 커지면, 투과량이 크게 증가한다. 홈(56, 57)의 코너부, 에지부의 곡율 반경은, 도체 표면파의 파장(λ)의 1/40보다도 작을 필요가 있다. 또한, 이중의 홈(56, 57)을 형성하는 예를 나타냈지만, 단일한 홈(56) 또는 홈(57)의 한쪽만이라도, 도체 표면파의 전반을 억제하는 것이 가능하다.
또한, 홈 대신에 볼록부를 연속 형상으로 형성하여, 볼록부로 둘러싸인 영역 내에 도체 표면파를 형성해도 좋다. 그 경우, 볼록부의 높이는 시스 두께(t)보다도 높고 도체 표면파의 파장(λ)의 1/2보다 작게 한다. 또한, 볼록부는 홑겹이라도 좋고, 이중 이상이라도 좋다.
(유전체(25)의 노출 면적과 기판(G)의 표면적의 관계(1/5))
처리 용기(4)의 내부에 있어서 행해지는 플라즈마 처리에 있어서는, 서셉터(10) 상에 올려놓여진 기판(G)의 표면으로의 이온 입사가 중요한 역할을 담당하고 있다. 예를 들면, 플라즈마 성막 처리에서는, 기판(G)의 표면에 플라즈마 중의 이온을 입사시키면서 성막을 행함으로써, 기판(G)의 온도가 저온이라도 고품질인 박막을 단시간으로 형성할 수 있다. 또한, 플라즈마 에칭 처리에서는, 기판(G)의 표면으로의 이온의 수직 입사에 의한 이방성 에칭에 의해, 미세한 패턴을 정확하게 형성하는 것이 가능해진다. 이와 같이, 어느 플라즈마 처리에 있어서도, 양호한 프로세스를 행하는 데에는 기판(G)의 표면으로의 이온 입사 에너지를 프로세스마다 최적인 값으로 제어하는 것이 불가결해진다. 기판(G)의 표면으로의 이온 입사 에너지는, 고주파 전원(13)으로부터 서셉터(10)을 통과하여 기판(G)에 인가되는 고주파 바이어스 전압에 의해 제어할 수 있다.
도 11에, 서셉터(10)(고주파 인가 전극)와 덮개체(3)(대향 전극＝그라운드 전극(3'))와의 사이에 고주파 전압을 인가한 플라즈마 처리 중의 처리 용기(4) 내의 상태를 개략적으로 나타낸다. 또한, 도 1 등에 나타낸 실시 형태에서는, 덮개체(3) 하면에 있어서 처리 용기(4) 내에 노출되어 있는 금속 커버(45) 하면, 금속 전극(27) 하면 및 사이드 커버 내측 부분(58) 하면이 그라운드 전극(3')이 된다. 플라즈마 처리 장치(1)의 처리 용기(4) 내에서는, 기판(G)의 상방에 있어서, 기판 사이즈를 초과한 외측의 범위까지, 고밀도의 플라즈마(P)가 생성된다. 이와 같이, 기판 사이즈를 초과한 범위까지 플라즈마(P)를 생성시킴으로써, 기판(G)의 상면(처리면) 전체에 균일한 플라즈마 처리를 행할 수 있다. 예를 들면, 2.4m×2.1m의 유리 기판을 처리하는 경우를 예로 하면, 플라즈마(P)의 생성 범위는, 기판 사이즈보다 한쪽에서 15％ 정도, 양쪽에서 30％ 정도 큰 영역이다. 이 때문에, 덮개체(3)의 하면에 있어서는, 기판 사이즈보다도 한쪽에서 15％ 정도(양쪽에서 30％ 정도)의 범위가, 그라운드 전극(3')(금속 커버(45) 하면, 금속 전극(27) 하면 및 사이드 커버 내측 부분(58) 하면)이 된다.
한편, 고주파 전원(13)으로부터 기판(G)에 고주파 바이어스 전압이 인가됨으로써, 플라즈마 처리 중의 처리 용기(4) 내에서는, 플라즈마(P)와 기판(G)의 상면(처리면)과의 사이 및 플라즈마(P)와 덮개체(3) 하면(금속 커버(45) 하면, 금속 전극(27) 하면 및 사이드 커버 내측 부분(58) 하면)의 그라운드 전극(3')의 부분과의 사이에는 플라즈마 시스(g, s)가 형성된다. 고주파 전원(13)으로부터 인가된 고주파 바이어스 전압은, 이들 플라즈마 시스(g, s)에 분압되어 걸리게 된다.
여기에서, 기판(G)의 처리면(상면)의 표면적을 As, 플라즈마(P)와 대향하고 있는 덮개체(3) 하면의 그라운드 전극(3')이 되어 있는 부분의 면적을 Ag로 하고, 기판(G)의 처리면과 플라즈마(P)와의 사이의 플라즈마 시스(s)에 걸리는 고주파 전압을 Vs, 덮개체(3)의 하면(금속 커버(45) 하면, 금속 전극(27) 하면 및 사이드 커버 내측 부분(58) 하면)과 플라즈마(P)와의 사이의 플라즈마 시스(g)에 걸리는 고주파 전압을 Vg로 한다. 이들 고주파 전압(Vs, Vg)과 면적(As, Ag)에는, 다음 식 (15)의 관계가 있다.
(Vs/Vg)＝(Ag/As)4 (15)
Brian Chapman, “Glow Discharge Processes,” A Wiley Interscience Publication, 1980.
플라즈마 시스(s, g)를 흐르는 전자 전류의 영향에 의해, 플라즈마 시스(s, g)에 걸리는 고주파 전압(Vs, Vg)이 커지면, 플라즈마 시스(s, g)에 걸리는 직류 전압이 커진다. 플라즈마 시스(s, g)에 걸리는 직류 전압의 증가분은, 고주파 전압(Vs, Vg)의 진폭(0 to peak값)과 거의 동일하다. 플라즈마(P) 중의 이온은 플라즈마 시스(s, g)에 걸리는 직류 전압에 의해 가속되어 전극면인 기판(G)의 처리면 및 덮개체(3)의 하면(금속 커버(45) 하면, 금속 전극(27) 하면 및 사이드 커버 내측 부분(58) 하면)에 입사되지만, 이 이온 입사 에너지는, 고주파 전압(Vs, Vg)에 의해 제어할 수 있다.
이 실시 형태에서 나타낸 플라즈마 장치(1)의 경우, 고주파 전원(13)에 의해 기판(G)의 처리면과 덮개체(3) 하면과의 사이에 인가된 고주파 전압(＝Vs＋Vg)은, 기판(G) 표면 및 덮개체(3) 하면(금속 커버(45) 하면, 금속 전극(27) 하면 및 사이드 커버 내측 부분(58) 하면)의 근방에 형성되는 플라즈마 시스(s, g)에 분압되어 걸리게 된다. 이때, 덮개체(3) 하면 근방의 플라즈마 시스(g)에 걸리는 고주파 전압(Vg)을 가능한 한 작게 하여, 고주파 전원(13)으로부터 인가된 고주파 전압의 대부분이, 기판(G) 표면 근방의 플라즈마 시스(s)에 걸리도록 하는 것이 바람직하다. 왜냐하면, 덮개체(3) 하면 근방의 플라즈마 시스(g)에 걸리는 고주파 전압(Vg)이 커지면, 전력 효율이 악화될 뿐만 아니라, 덮개체(3)(금속 커버(45) 하면, 금속 전극(27) 하면 및 사이드 커버 내측 부분(58) 하면＝그라운드 전극(3'))에 입사되는 이온의 에너지가 증가하여, 덮개체(3) 하면(금속 커버(45) 하면, 금속 전극(27) 하면 및 사이드 커버 내측 부분(58) 하면)이 스퍼터되어 금속 오염이 일어나기 때문이다. 실제의 플라즈마 처리 장치에서는, 덮개체(3) 하면 근방의 플라즈마 시스(g)에 걸리는 고주파 전압(Vg)이, 기판(G) 표면 근방의 플라즈마 시스(s)에 걸리는 고주파 전압(Vs)의 1/5 이하가 아니면 실용적으로 되지 않는다. 즉 식(15)로부터, 플라즈마(P)와 대향하고 있는 덮개체(3) 하면의 그라운드 전극(3')이 되어 있는 부분의 면적(금속 커버(45) 하면, 금속 전극(27) 하면 및 사이드 커버 내측 부분(58) 하면의 합계 면적, 즉, 표면파 전반부의 면적)은, 최저라도 기판(G) 표면의 면적의 1.5배 이상이 아니면 안 되는 것을 알 수 있다.
종래의 마이크로파 플라즈마 처리 장치에서는, 기판(G)과 대향하는 덮개체(3)의 하면의 대부분이 마이크로파를 전하기 위한 유전체(25)로 덮여 있기 때문에, 특히 대형 기판용의 플라즈마 처리 장치에서는 고밀도 플라즈마가 접하는 그라운드 전극의 면적이 작았다. 전술한 바와 같이, 예를 들면 2.4m×2.1m의 유리 기판을 처리하는 플라즈마 처리 장치(1)에 있어서는, 고밀도의 플라즈마(P)가 기판 사이즈보다 한쪽 끝에서 15％ 정도, 양끝에서 30％ 정도 큰 영역에 생성되어, 이 플라즈마(P)와 대향하는 덮개체(3)의 하면 부분(금속 커버(45) 하면, 금속 전극(27) 하면 및 사이드 커버 내측 부분(58) 하면)이 그라운드 전극(3')이 된다. 가령, 이 그라운드 전극(3')의 부분에 있어서, 유전체(25)가 처리 용기(4)의 내부에 노출되어 있지 않고 모두 접지부이면, 플라즈마(P)와 대향하는 그라운드 전극(3')의 면적은 기판 면적의 1.7배((1＋0.3)2)가 된다. 그런데 , 종래의 마이크로파 플라즈마 처리 장치에서는, 그라운드 전극(3') 중 대부분이 유전체(25)로 덮여 있기 때문에 충분한 면적이 얻어지지 않았다. 이 때문에, 종래의 대형 기판용의 마이크로파 플라즈마 처리 장치에서는, 고주파 바이어스를 인가하면 금속 오염을 발생시킬 염려가 있었다.
그래서, 이 실시 형태에 따른 플라즈마 처리 장치(1)에서는, 처리 용기(4)의 내부에 노출되는 유전체(25)의 노출면의 면적을 가능한 한 작게 하여, 유전체(25)의 노출면의 면적을 기판(G)의 상면의 면적의 1/5 이하로 억제하는 구성으로 했다. 또한, 앞서 설명한 바와 같이, 본 발명에서는 덮개체(3)의 하면(금속 커버(45) 하면, 금속 전극(27) 하면 및 사이드 커버 내측 부분(58) 하면)의 표면파 전반부를 따라서 전반되는 도체 표면파를 이용하여 처리 용기(4) 내에 플라즈마(P)를 발생시킬 수 있기 때문에, 유전체(25)의 노출 면적을 작게 해도, 그라운드 전극(3')의 하면 전체에 있어서 유효하게 플라즈마(P)를 발생시킬 수 있다. 이와 같이, 플라즈마(P)와 접하는 유전체(25)의 노출면의 면적을 기판(G)의 상면의 면적의 1/5 이하로 하면, 필연적으로, 플라즈마(P)와 대향하는 그라운드 전극(3')의 면적은, 최저라도 기판(G) 표면의 면적의 1.5(1.7-1/5)배 이상 확보된다. 이에 따라, 덮개체(3) 하면이 스퍼터됨으로써 금속 오염을 일으키는 일 없이, 고주파 전원(13)으로부터 인가된 고주파 전압을, 기판(G) 표면 근방의 플라즈마 시스(s)에 효율 좋게 인가시키는 것이 가능해진다.
(처리 용기(4) 내에 있어서의 유전체(25)의 노출 부분의 면적)
유전체(25)의 단부까지 유전체(25) 중을 전반한 마이크로파는, 유전체(25)에 인접한 금속 표면 상(즉, 금속 커버(45) 하면, 금속 전극(27) 하면 및 사이드 커버 내측 부분(58) 하면)을 도체 표면파로서 전반해 나간다. 이때, 도 8에 나타낸 바와 같이, 처리 용기(4) 내에 노출되어 있는 유전체(25)의 부분의 양측에 형성되는 2개의 표면파 전반부 부분(a)을 대칭인 형상으로 함과 함께, 이들 2개의 표면파 전반부 부분(a)에 마이크로파의 에너지가 등분(等分)으로 분배되도록 하면, 2개의 표면파 전반부 부분(a)에는 밀도 및 분포가 동일한 플라즈마가 여기되어, 표면파 전반부 전체로서 균일한 플라즈마가 얻기 쉬워진다.
한편, 유전체(25)가 처리 용기(4) 내에 노출되어 있는 부분에서도, 유전체 표면파에 의해 플라즈마가 여기된다. 유전체 표면파는, 유전체(25)와 플라즈마와의 양쪽에 마이크로파 전계가 걸리는 데에 대하여, 도체 표면파는, 플라즈마에만 마이크로파 전계가 걸리기 때문에, 일반적으로 도체 표면파 쪽이 플라즈마에 걸리는 마이크로파 전계가 강해진다. 이 때문에, 금속 표면인 표면파 전반부(즉, 금속 커버(45) 하면, 금속 전극(27) 하면 및 사이드 커버 내측 부분(58) 하면)에는 유전체(25) 표면보다도 밀도가 높은 플라즈마가 여기된다.
유전체(25)의 노출 부분의 면적이 표면파 전반부 부분(a)의 면적보다도 충분히 작으면, 플라즈마의 확산에 의해 기판(G)의 주변에서는 균일한 플라즈마가 얻어진다. 그러나, 유전체(25)의 노출 부분의 면적이 한쪽의 표면파 전반부 부분(a)의 면적보다도 크면, 즉, 표면파 전반부 전체로 보면, 유전체(25)의 노출 부분의 합계 면적이, 표면파 전반부의 면적의 1/2보다도 크면, 불균일한 플라즈마가 될 뿐만 아니라, 면적이 작은 표면파 전반부에 전력이 집중되어 이상(異常) 방전이 발생하거나 스퍼터링이 일어날 가능성이 높아진다. 따라서, 유전체(25)의 노출 부분의 합계 면적의 면적을, 표면파 전반부의 면적의 1/2 이하, 보다 바람직하게는 1/5 이하로 하는 것이 바람직하다.
(유전체(25)의 두께)
이 실시 형태에서는, 유전체(25) 및 금속 전극(27)이, 접속 부재(30)에 의해서 덮개체(3)의 하면에 부착되어 있지만, 금속 전극(27)을 덮개체(3)에 전기적으로 접속시키고 있는 접속 부재(30)의 주변에서는, 유전체(25) 중을 마이크로파가 전반 할 수 없다. 접속 부재(30)의 주변을 빠져 나간 마이크로파는, 유전체(25)의 각부까지 회절의 효과로 어느 정도는 돌지만, 유전체(25)의 각부의 마이크로파 전계 강도는, 다른 부분보다 약해지는 경향이 있다. 너무 약해지면, 플라즈마의 균일성이 악화되어 버린다.
도 12에, 전자계 시뮬레이션에 의해 구해진 시스 중의 마이크로파 전계의 정재파 분포를 나타낸다. 유전체(25)의 재질은 알루미나이다. 플라즈마 중의 전자 밀도는 3×1011㎝－3, 압력은 13.3Pa이다. 또한, 도 12에 나타내는 바와 같이, 1매의 금속 전극(27)을 중심으로 하여, 인접하는 금속 커버(45)의 중심점을 꼭짓점으로 갖는 영역(또는, 이 인접하는 금속 커버(45)의 중심점을 꼭짓점으로 갖는 영역과 동일한 기능을 하는, 사이드 커버 내측 부분(58)을 이등분한 영역)을 포함하는 유닛을 셀이라고 부른다. 상정한 셀은, 한 변의 길이가 164㎜인 정사각형이다. 셀의 중앙에, 셀에 대하여 45˚ 회전한 상태로 유전체(25)가 존재하고 있다. 전계가 강한 부분이 밝게 표시되어 있다. 금속 전극(27) 하면, 금속 커버(45), 사이드 커버 내측 부분(58) 하면에는, 규칙적이고 대칭인 2차원적인 정재파가 발생하고 있는 것을 알 수 있다. 이것은 시뮬레이션에 의해 구해진 결과이지만, 실제로 플라즈마를 세워 플라즈마를 관찰하면, 완전히 동일한 분포가 얻어지는 것을 알 수 있다.
유전체(25)의 두께를 3㎜에서 6㎜까지 바꿨을 때의, 도 12의 직선 A-B에 있어서의 시스 중의 마이크로파 전계 강도 분포를 도 13에 나타낸다. 종축은, 직선 A-B에 있어서의 최대 전계 강도로 규격화되어 있다. 중앙과 단부(금속 커버 각부)가 정재파의 배(antinode)의 위치로 되어 있고, 그 사이에 마디(node)의 위치가 있는 것을 알 수 있다. 중앙과 단부에서 전계 강도가 대체로 동일한 것이 바람직하지만, 단부 쪽이 약한 것을 알 수 있다.
이렇게 하여 구해진 금속 커버 각부의 규격화 전계 강도를, 도 14에 나타낸다. 유전체(25)의 두께가 3㎜일 때는 93％이지만, 유전체(25)의 두께가 두꺼워지면 감소하여, 6㎜에서는 66％가 되는 것을 알 수 있다. 플라즈마의 균일성을 고려하면, 금속 전극(27) 하면의 각부와 금속 커버(45)의 각부의 규격화 전계 강도는 70％ 이상, 보다 바람직하게는 80％ 이상인 것이 바람직하다. 도 12로부터, 규격화 전계 강도를 70％ 이상으로 하기 위해서는 유전체(25)의 두께를 4.1㎜ 이하, 80％ 이상으로 하기 위해서는 5.1㎜ 이하로 할 필요가 있는 것을 알 수 있다.
유전체(25) 중을 전반하는 마이크로파의 회절에 의해 유전체(25)에 도달하는 마이크로파의 강도는, 유전체(25)의 두께뿐만 아니라, 전반 장애물인 접속 부재(30)와 유전체(25)까지의 거리에 의존한다. 이 거리가 길수록, 유전체(25)의 각부에 도달하는 마이크로파의 강도는 강해진다. 접속 부재(30)와 유전체(25) 각부까지의 거리는, 유전체(25)의 중심 간의 거리(셀의 피치)에 대체로 비례한다. 따라서, 유전체(25)의 중심 간의 거리에 대하여, 유전체(25)의 두께를 일정 이하로 설정하면 좋게 된다. 도 12에 있어서 셀의 피치는 164㎜이기 때문에, 규격화 전계 강도를 70％ 이상으로 하기 위해서는 유전체(25)의 두께를 유전체(25)의 중심 간의 거리의 1/29 이하로, 80％ 이상으로 하기 위해서는 1/40 이하로 하면 좋다.
(표면파 전반부의 평탄성)
전자 밀도가 높아지면 시스에 인가되는 마이크로파 전계 강도가 커진다. 표면파 전반부인 금속 커버(45) 하면, 금속 전극(27) 하면 및 사이드 커버 내측 부분(58) 하면에 미소한 각부가 있으면, 각부에 전계가 집중되어 과열되어, 이상 방전(아크 방전)이 발생하는 경우가 있다. 한 번 이상 방전이 발생하면, 금속 표면을 녹이면서 방전부가 이리저리 돌아다녀, 금속 표면에 큰 손상을 부여해 버린다. 표면파 전반부인 금속 커버(45) 하면, 금속 전극(27) 하면 및 사이드 커버 내측 부분(58) 하면의 중심선 평균 거칠기가 시스의 두께보다도 충분히 작으면, 미소한 각부가 있어도 금속 표면에 평균적으로 전계가 걸리기 때문에, 전계가 집중되는 일은 없어, 이상 방전도 일어나지 않는다.
앞서 시스 두께(t)에 대해서 설명했지만, 시스 두께(t)는 전자 밀도의 제곱근에 역비례한다. 최대의 전자 밀도로서, 1×1013㎝－3를 가정하면 충분하다. 이때의 데바이 길이는 3.3㎛이며, Ar 플라즈마의 경우, 시스의 두께는 그 3.5배인 12㎛가 된다. 금속 표면의 중심선 평균 거칠기가 시스의 두께의 1/5 이하, 보다 바람직하게는 1/20 이하가 되어 있으면, 미소한 각부에서의 전계 집중은 무시할 수 있다. 따라서, 2.4㎛, 보다 바람직하게는 0.6㎛ 이하로 되어 있으면 좋다.
(변형예)
이하, 플라즈마 처리 장치(1)의 다른 실시 형태를 설명한다. 또한, 앞서 도 1 등에서 설명한 플라즈마 처리 장치(1)와 공통의 구성요소에 대해서는, 동일한 부호를 붙임으로써, 중복 설명을 생략한다.
(변형예 1)
도 15는, 변형예 1에 따른 플라즈마 처리 장치(1)의 덮개체(3)의 하면도이다. 이 변형예 1에 따른 플라즈마 처리 장치(1)는, 덮개체(3)의 하면에 예를 들면 Al2O3로 이루어지는 8개의 유전체(25)가 부착되어 있다. 앞과 동일하게, 도 7에 나타내는 바와 같이, 각 유전체(25)는 실질적으로 정사각형으로 간주할 수 있는 판 형상이다. 각 유전체(25)는, 서로의 꼭지각끼리를 인접시키도록 배치되어 있다. 또한, 서로 이웃하는 유전체(25)끼리에 있어서, 중심점(O')을 잇는 선(L') 상에, 각 유전체(25)의 꼭지각이 인접하여 배치된다. 이와 같이 8개의 유전체(25)를, 서로의 꼭지각끼리를 인접시키고, 그리고, 서로 이웃하는 유전체(25)끼리에 있어서, 중심점(O')을 잇는 선 상에, 각 유전체(25)의 꼭지각이 인접하도록 배치함으로써, 덮개체(3)의 하면에는, 4개의 유전체(25)에 둘러싸인 정사각형의 영역(S)이 3개소에 형성된다.
각 유전체(25)의 하면에는, 금속 전극(27)이 부착되어 있다. 금속 전극(27)은, 도전성을 갖는 재료, 예를 들면 알루미늄 합금으로 이루어진다. 유전체(25)와 동일하게, 금속 전극(27)도 정사각형의 판 형상으로 구성되어 있다. 단, 금속 전극(27)의 폭(N)은, 유전체(25)의 폭(L)에 비해 약간 짧다. 이 때문에, 처리 용기의 내부로부터 보면, 금속 전극(27)의 주위에는, 유전체(25)의 주변부가 정사각형의 윤곽을 나타내는 상태로 노출되어 있다. 그리고, 처리 용기(4)의 내부로부터 보면, 유전체(25)의 주변부에 의해 형성된 정사각형의 윤곽의 꼭지각끼리가 인접하여 배치되어 있다.
유전체(25) 및 금속 전극(27)은, 나사 등의 접속 부재(30)에 의해, 덮개체(3)의 하면에 부착되어 있다. 금속 전극(27)은, 접속 부재(30)를 통하여 덮개체(3)의 하면에 전기적으로 접속되며, 전기적으로 접지된 상태로 되어 있다. 금속 전극(27)의 하면에는, 복수의 가스 방출공(42)이 분산하여 개구되어 있다.
덮개체(3)의 하면의 각 영역(S)에는, 금속 커버(45)가 부착되어 있다. 각 금속 커버(45)는, 도전성을 갖는 재료, 예를 들면 알루미늄 합금으로 이루어지고, 덮개체(3)의 하면에 전기적으로 접속되며, 전기적으로 접지된 상태로 되어 있다. 금속 커버(45)는, 금속 전극(27)과 동일하게, 폭(N)의 정사각형의 판 형상으로 구성되어 있다.
금속 커버(45)는, 유전체(25)와 금속 전극(27)의 합계 정도의 두께를 갖는다. 이 때문에, 금속 커버(45) 하면과 금속 전극(27) 하면은, 동일면으로 되어 있다.
금속 커버(45)는, 나사 등의 접속 부재(46)에 의해, 덮개체(3)의 하면에 부착되어 있다. 금속 커버(45)의 하면에는, 복수의 가스 방출공(52)이 분산하여 개구되어 있다.
덮개체(3)의 하면에 있어서, 8개의 유전체(25)의 외측의 영역에는, 사이드 커버(55)가 부착되어 있다. 이 사이드 커버(55)는, 도전성을 갖는 재료, 예를 들면 알루미늄 합금으로 이루어지고, 덮개체(3)의 하면에 전기적으로 접속되며, 전기적으로 접지된 상태로 되어 있다. 사이드 커버(55)도, 유전체(25)와 금속 전극(27)의 합계 정도의 두께를 갖는다. 이 때문에, 사이드 커버(55) 하면은, 금속 커버(45) 하면 및 금속 전극(27) 하면과 동일면으로 되어 있다.
사이드 커버(55)의 하면에는, 8개의 유전체(25)를 둘러싸도록 배치된 홈(56)이 연속하여 설치되어 있고, 이 홈(56)으로 나누어진 내측의 영역에 있어서, 사이드 커버(55)에는, 8개의 사이드 커버 내측 부분(58)이 형성되어 있다. 이들 사이드 커버 내측 부분(58)은, 처리 용기(4)의 내부로부터 본 상태에 있어서, 금속 커버(45)를 대각선으로 이등분한 직각 이등변 삼각형과 거의 동일한 형상을 갖고 있다. 단, 사이드 커버 내측 부분(58)의 이등변 삼각형의 높이는, 금속 커버(45)를 대각선으로 이등분한 이등변 삼각형의 높이보다도, 약간(도체 표면파의 파장의 1/4 정도) 길게 되어 있다. 이것은, 도체 표면파로부터 본 이등변 삼각형의 밑변부에 있어서의 전기적인 경계 조건이, 양자에서 상이하기 때문이다.
또한, 본 실시 형태에 있어서는, 홈(56)은 처리 용기 내부로부터 보면 팔각형의 형상으로 되어 있지만, 사각형의 형상으로 되어 있어도 좋다. 이렇게 하면, 사각형의 홈(56)의 모서리와 유전체(25)와의 사이에도, 동일한 직각 이등변 삼각형의 영역이 형성된다. 또한 홈(56)으로 나누어진 외측의 영역에 있어서, 사이드 커버(55)에는, 덮개체(3) 하면의 주변부를 덮는 사이드 커버 외측 부분(59)이 형성되어 있다.
플라즈마 처리 중, 마이크로파 공급 장치(85)로부터 각 유전체(25)에 전반된 마이크로파는, 덮개체(3)의 하면에 노출되어 있는 유전체(25)의 주위로부터 금속 커버(45) 하면, 금속 전극(27) 하면 및 사이드 커버 내측 부분(58) 하면을 따라서 전반되어, 덮개체(3)의 하면에 있어서, 홈(56)으로 둘러싸인 영역인 금속 커버(45) 하면, 금속 전극(27) 하면 및 사이드 커버 내측 부분(58) 하면이 표면파 전반부가 된다.
사이드 커버(55)는, 나사 등의 접속 부재(65)에 의해, 덮개체(3)의 하면에 부착되어 있다. 사이드 커버(55)의 하면에는, 복수의 가스 방출공(72)이 분산하여 개구되어 있다.
도 15에 나타낸 변형예 1에 따른 플라즈마 처리 장치(1)에 의해서도, 표면파 전반부인 금속 커버(45) 하면, 금속 전극(27) 하면 및 사이드 커버 내측 부분(58) 하면 전체에 있어서, 균일한 조건으로 마이크로파의 파워에 의해 플라즈마를 생성시킴으로써, 기판(G)의 처리면 전체에 더욱 균일한 플라즈마 처리를 행하는 것이 가능해진다. 덮개체(3)의 하면에 부착되는 유전체(25)의 매수 및 배치는 임의로 변경할 수 있다.
(변형예 2)
도 16은 변형예 2에 따른 플라즈마 처리 장치(1)의 개략적인 구성을 나타낸 종단면도(도 17 중의 D-O'-O-E 단면)이다. 도 17은 도 16 중의 A-A 단면도이다. 이 변형예 2에 따른 플라즈마 처리 장치(1)는, 덮개체(3)의 하면에 예를 들면 Al2O3로 이루어지는 8개의 유전체(25)가 부착되어 있다. 앞과 동일하게, 도 7에 나타내는 바와 같이, 각 유전체(25)는 실질적으로 정사각형이라고 간주할 수 있는 판 형상이다. 각 유전체(25)는, 서로의 꼭지각끼리를 인접시키도록 배치되어 있다. 또한, 서로 이웃하는 유전체(25)끼리에 있어서, 중심점(O')을 잇는 선(L') 상에, 각 유전체(25)의 꼭지각이 인접하여 배치된다. 이와 같이 8개의 유전체(25)를, 서로의 꼭지각끼리를 인접시키고, 그리고, 서로 이웃하는 유전체(25)끼리에 있어서, 중심점(O')을 잇는 선 상에, 각 유전체(25)의 꼭지각이 인접하도록 배치함으로써, 덮개체(3)의 하면에는, 4개의 유전체(25)에 둘러싸인 정사각형의 영역(S)이 3개소에 형성된다.
각 유전체(25)의 하면에는, 금속 전극(27)이 부착되어 있다. 금속 전극(27)은, 도전성을 갖는 재료, 예를 들면 알루미늄 합금으로 이루어진다. 유전체(25)와 동일하게, 금속 전극(27)도 정사각형의 판 형상으로 구성되어 있다. 단, 금속 전극(27)의 폭(N)은, 유전체(25)의 폭(L)에 비해 약간 짧다. 이 때문에, 처리 용기의 내부로부터 보면, 금속 전극(27)의 주위에는, 유전체(25)의 주변부가 정사각형의 윤곽을 나타내는 상태로 노출되어 있다. 그리고, 처리 용기(4)의 내부로부터 보면, 유전체(25)의 주변부에 의해 형성된 정사각형의 윤곽의 꼭지각끼리를 인접시켜 배치되어 있다.
유전체(25) 및 금속 전극(27)은, 나사 등의 접속 부재(30)에 의해, 덮개체(3)의 하면에 부착되어 있다. 이 실시 형태에서는, 금속 막대(92)의 하단이 유전체(25)를 관통하고, 금속 막대(92)의 하단이 금속 전극(27)의 상면에 접촉된 상태로 되어 있다. 또한, 금속 막대(92) 하단과 금속 전극(27) 상면과의 접속부를 둘러싸도록, 유전체(25) 하면과 금속 전극(27) 상면과의 사이에 봉지 부재로서의 O링(37')이 배치되어 있다. 금속 전극(27)은, 접속 부재(30)를 통하여 덮개체(3)의 하면에 접속되며, 전기적으로 접지된 상태로 되어 있다.
이 실시 형태에서는, 덮개체(3)의 하면의 각 영역(S), 및, 8개의 유전체(25)의 외측의 영역에 있어서, 덮개체(3)의 하면이 처리 용기(4) 내에 노출된 상태로 되어 있다. 또한, 덮개체(3)의 하면에는, 유전체(25) 및 금속 전극(27)이 삽입되는 오목부(3a)가 형성되어 있다. 각 오목부(3a)에 유전체(25) 및 금속 전극(27)이 삽입됨으로써, 처리 용기(4) 내에 노출되어 있는 덮개체(3)의 하면과 금속 전극(27) 하면이 동일면으로 되어 있다.
덮개체(3)의 하면에는, 8개의 유전체(25)를 둘러싸도록 배치된 홈(56)이 연속하여 형성되어 있고, 이 홈(56)으로 나누어진 내측의 영역에 있어서, 덮개체(3)의 하면에는, 8개의 덮개체 하면 내측 부분(3b)이 형성되어 있다. 이들 덮개체 하면 내측 부분(3b)은, 처리 용기(4)의 내부로부터 본 상태에 있어서, 금속 전극(27)을 대각선으로 이등분한 직각 이등변 삼각형과 거의 동일한 형상을 갖고 있다.
이 변형예 2에 따른 플라즈마 처리 장치(1)에 있어서는, 플라즈마 처리 중, 마이크로파 공급 장치(85)로부터 각 유전체(25)에 전반된 마이크로파는, 덮개체(3)의 하면에 노출되어 있는 유전체(25)의 주위로부터 금속 전극(27) 하면 및 덮개체(3)의 각 영역(S)과 각 덮개체 하면 내측 부분(3b)의 하면을 따라서 전반된다. 이 변형예 2에 따른 플라즈마 처리 장치(1)에 의해서도, 표면파 전반부인 금속 전극(27) 하면 및 덮개체(3)의 각 영역(S)과 각 덮개체 하면 내측 부분(3b)의 하면의 전체에 있어서, 균일한 조건으로 마이크로파의 파워에 의해 플라즈마를 생성시킴으로써, 기판(G)의 처리면 전체에 더욱 균일한 플라즈마 처리를 행하는 것이 가능해진다.
(변형예 3)
도 18은 변형예 3에 따른 플라즈마 처리 장치(1)의 개략적인 구성을 나타낸 종단면도(도 19 중의 D-O'-O-E 단면)이다. 도 19는 도 18 중의 A-A 단면도이다. 이 변형예 3에 따른 플라즈마 처리 장치(1)는, 덮개체(3)의 하면에 예를 들면 Al2O3로 이루어지는 4개의 유전체(25)가 부착되어 있다. 앞과 동일하게, 도 7에 나타내는 바와 같이, 각 유전체(25)는 실질적으로 정사각형이라고 간주할 수 있는 판 형상이다. 각 유전체(25)는, 서로의 꼭지각끼리를 인접시키도록 배치되어 있다. 또한, 서로 이웃하는 유전체(25)끼리에 있어서, 중심점(O')을 잇는 선(L') 상에, 각 유전체(25)의 꼭지각이 인접하여 배치된다. 이와 같이 8개의 유전체(25)를, 서로의 꼭지각끼리를 인접시키고, 그리고, 서로 이웃하는 유전체(25)끼리에 있어서, 중심점(O')을 잇는 선(L') 상에, 각 유전체(25)의 꼭지각이 인접하도록 배치함으로써, 덮개체(3)의 하면 중앙에는, 유전체(25)로 둘러싸인 정사각형의 영역(S)이 형성된다.
변형예 3에 따른 플라즈마 처리 장치(1)에서는, 각 유전체(25)의 하면에 부착되는 금속 전극(27)과, 영역(S)에 부착되는 금속 커버(45)와, 유전체(25)의 외측의 영역에 부착되는 사이드 커버(55)가 일체로 구성되어 있다. 또한, 사이드 커버(55) 하면의 주연부에 홈(56)이 연속하여 형성되어 있고, 이 홈(56)으로 나누어진 내측의 영역(즉, 금속 전극(27) 하면, 금속 커버(45) 하면 및 사이드 커버(55) 하면) 전체가 표면파 전반부로 되어 있다.
이 변형예 3에 따른 플라즈마 처리 장치(1)에 의해서도, 표면파 전반부인 금속 전극(27) 하면, 금속 커버(45) 하면 및 사이드 커버(55) 하면 전체에 있어서, 균일한 조건으로 마이크로파의 파워에 의해 플라즈마를 생성시킴으로써, 기판(G)의 처리면 전체에 더욱 균일한 플라즈마 처리를 행하는 것이 가능해진다.
(변형예 4)
도 20은 변형예 4에 따른 플라즈마 처리 장치(1)의 개략적인 구성을 나타낸 종단면도(도 21 중의 D-O'-O-E 단면)이다. 도 21은 도 20 중의 A-A 단면도이다. 이 변형예 4에 따른 플라즈마 처리 장치(1)는, 덮개체(3)의 하면에 예를 들면 Al2O3로 이루어지는 8개의 유전체(25)가 부착되어 있다. 앞과 동일하게, 도 7에 나타내는 바와 같이, 각 유전체(25)는 실질적으로 정사각형이라고 간주할 수 있는 판 형상이다. 각 유전체(25)는, 서로의 꼭지각끼리를 인접시키도록 배치되어 있다. 또한, 서로 이웃하는 유전체(25)끼리에 있어서, 중심점(O')을 잇는 선(L') 상에, 각 유전체(25)의 꼭지각이 인접하여 배치된다. 이와 같이 8개의 유전체(25)를, 서로의 꼭지각끼리를 인접시키고, 그리고, 서로 이웃하는 유전체(25)끼리에 있어서, 중심점(O')를 잇는 선 상에, 각 유전체(25)의 꼭지각이 인접하도록 배치함으로써, 덮개체(3)의 하면에는, 4개의 유전체(25)로 둘러싸인 정사각형의 영역(S)이 3개소에 형성된다.
각 유전체(25)의 하면에는, 금속 전극(27)이 부착되어 있다. 금속 전극(27)은, 도전성을 갖는 재료, 예를 들면 알루미늄 합금으로 이루어진다. 유전체(25)와 동일하게, 금속 전극(27)도 정사각형의 판 형상으로 구성되어 있다. 단, 금속 전극(27)의 폭(N)은, 유전체(25)의 폭(L)에 비해 약간 짧다. 이 때문에, 처리 용기(4)의 내부로부터 보면, 금속 전극(27)의 주위에는, 유전체(25)의 주변부가 정사각형의 윤곽을 나타내는 상태로 노출되어 있다. 그리고, 처리 용기(4)의 내부로부터 보면, 유전체(25)의 주변부에 의해 형성된 정사각형의 윤곽의 꼭지각끼리를 인접시켜 배치되어 있다.
유전체(25) 및 금속 전극(27)은, 나사 등의 접속 부재(30)에 의해, 덮개체(3)의 하면에 부착되어 있다. 금속 전극(27)은, 접속 부재(30)를 통하여 덮개체(3)의 하면에 전기적으로 접속되며, 전기적으로 접지된 상태로 되어 있다.
이 실시 형태에서는, 덮개체(3)의 하면의 각 영역(S), 및, 8개의 유전체(25)의 외측의 영역에 있어서, 덮개체(3)의 하면이 처리 용기(4) 내에 노출된 상태로 되어 있다. 또한, 덮개체(3)의 하면은, 전체적으로 평면 형상으로 구성되어 있다. 이 때문에, 금속 전극(27) 하면은, 덮개체(3)의 하면보다도 하방에 위치하고 있다.
덮개체(3)의 하면에는, 8개의 유전체(25)를 둘러싸도록 배치된 홈(56)이 연속하여 형성되어 있고, 이 홈(56)으로 나누어진 내측의 영역에 있어서, 덮개체(3)의 하면에는, 8개의 덮개체 하면 내측 부분(3b)이 형성되어 있다. 이들 덮개체 하면 내측 부분(3b)은, 처리 용기(4)의 내부로부터 본 상태에 있어서, 금속 전극(27)을 대각선으로 이등분한 직각 이등변 삼각형과 거의 동일한 형상을 갖고 있다. 또한, 덮개체(3)의 하면의 각 영역(S)에는, 복수의 가스 방출공(52)이 분산하여 개구되고, 각 덮개체 하면 내측 부분(3b)에는, 복수의 가스 방출공(72)이 분산하여 개구되어 있다.
이 변형예 4에 따른 플라즈마 처리 장치(1)에 있어서는, 플라즈마 처리 중, 마이크로파 공급 장치(85)로부터 각 유전체(25)에 전반된 마이크로파는, 덮개체(3)의 하면에 노출되어 있는 유전체(25)의 주위로부터 금속 전극(27) 하면 및 덮개체(3)의 각 영역(S)과 각 덮개체 하면 내측 부분(3b)의 하면을 따라서 전반시킬 수 있다. 이 변형예 4에 따른 플라즈마 처리 장치(1)에 의해서도, 표면파 전반부인 금속 전극(27) 하면 및 덮개체(3)의 각 영역(S)과 각 덮개체 하면 내측 부분(3b)의 하면의 전체에 있어서, 균일한 조건으로 마이크로파의 파워에 의해 플라즈마를 생성시킴으로써, 기판(G)의 처리면 전체에 더욱 균일한 플라즈마 처리를 행하는 것이 가능해진다.
(유전체의 외연의 위치)
도 1 등에서는, 유전체(25)의 외연이 금속 전극(27)의 외연보다 외측에 있고, 금속 커버(45)의 측면과 인접하고 있는 예를 나타냈다. 여기에서, 도 22~28은, 유전체(25), 금속 전극(27), 금속 커버(45)(금속 커버(45a))의 외연 부분의 형상을 나타내는 단면도(단면의 위치는, 도 2 중의 단면 F에 해당함)이다. 도 22에 나타내는 바와 같이, 유전체(25)의 외연(25')이, 처리 용기(4)의 내부로부터 보아, 금속 전극(27)의 외연(27')보다도 내측에 있고, 유전체(25)의 측면(외연(25'))만이 처리 용기(4)의 내부에 노출되어 있어도 좋다. 또한, 유전체(25)의 외연(25')이, 처리 용기(4)의 내부로부터 보아, 금속 전극(27)의 외연(27')과 동일한 위치라도 좋다.
또한, 도 23에 나타내는 바와 같이, 유전체(25)의 외연(25')이 금속 전극(27)의 외연(27')보다 외측에 있는 경우, 금속 커버(45)의 측면에, 유전체(25)의 외연(25')을 수용하는 오목부(45')를 형성해도 좋다.
(덮개체 하면의 형상)
도 1 등에서는, 평면 형상의 덮개체(3), 금속 커버(45)를 부착한 예를 나타냈다. 도 24, 25에 나타내는 바와 같이, 덮개체(3)에, 금속 커버(45)와 동일한 형상의 금속 커버(45a)를 일체적으로 형성하고, 덮개체(3) 하면에 있어서, 금속 커버(45a)에 인접하여 형성된 오목부(45b)에 유전체(25)를 삽입해도 좋다. 이 경우, 금속 커버(45a) 하면의 중심선 평균 거칠기를, 2.4㎛ 이하, 나아가서는 0.6㎛ 이하로 하는 것이 바람직하다.
또한, 도 24에 나타내는 바와 같이, 유전체(25)의 외연이 금속 커버(45a)의 측면과 인접해도 좋고, 도 25에 나타내는 바와 같이, 유전체(25)의 외연이 금속 커버(45a)의 측면으로부터 떨어져 있어도 좋다.
또한, 금속 커버(45) 및 사이드 커버(55)를 생략하고, 도 26~28에 나타내는 바와 같이, 유전체(25)의 주위에 있어서, 평면 형상의 덮개체(3) 하면을 노출시켜도 좋다. 이 경우, 처리 용기(4)의 내부로부터 보아, 복수의 유전체(25)로 둘러싸여 있는 덮개체(3) 하면의 형상과, 유전체(25)에 부착되어 있는 금속 전극(27) 하면의 형상이 실질적으로 동일한 것이 바람직하다. 또한, 덮개체(3) 하면의 중심선평균 거칠기를, 2.4㎛ 이하, 나아가서는 0.6㎛ 이하로 하는 것이 바람직하다.
또한, 도 26에 나타내는 바와 같이, 유전체(25)의 외연(25')이, 처리 용기(4)의 내부로부터 보아, 금속 전극(27)의 외연(27')보다도 외측에 있어도 좋다. 또한, 도 27에 나타내는 바와 같이, 유전체(25)의 외연(25')이, 처리 용기(4)의 내부로부터 보아, 금속 전극(27)의 외연(27')과 동일한 위치라도 좋다. 또한, 도 28에 나타내는 바와 같이, 유전체(25)의 외연(25')이, 처리 용기(4)의 내부로부터 보아, 금속 전극(27)의 외연(27')보다도 내측에 있어도 좋다. 그 외, 도 22, 23, 24, 25, 26, 27에 나타내는 바와 같이, 금속 전극(27)의 외연(27')에 테이퍼부 (110)를 형성해도 좋다. 또한, 도 22, 23에 나타내는 바와 같이, 금속 커버(45)의 외연에 테이퍼부(111)를 형성해도 좋다. 또한, 도 24, 25에 나타내는 바와 같이, 덮개체(3)와 일체인 금속 커버(45a)의 외연에 테이퍼부(112)를 형성해도 좋다. 또한, 도 25, 26에 나타내는 바와 같이, 유전체(25)의 외연에 테이퍼부(113)를 형성해도 좋다. 또한, 도 26, 28에 나타내는 바와 같이, 금속 전극(27)의 외연(27')에 역테이퍼부(114)를 형성해도 좋다.
(유전체와 금속 전극의 형상)
도 1 등에서는, 정사각형의 유전체(25)를 예시했다. 도 29에 나타내는 바와 같이, 마름모형의 유전체(25)를 이용해도 좋다. 이 경우, 유전체(25)의 하면에 부착되는 금속 전극(27)은, 유전체(25)의 서로 비슷한 형상의 약간 작은 마름모형으로 하면, 금속 전극(27)의 주위에 있어서, 유전체(25)의 주변부가 마름모형의 윤곽을 나타내는 상태로 처리 용기(4)의 내부에 노출되게 된다. 유전체(25)의 중심과 접속 부재(30)의 중심 간의 거리는, 서로 이웃하는 유전체(25)의 중심 간의 거리(L')의 1/4보다도 짧게 설정되어 있지만, 동일해도 좋다.
또한, 도 30에 나타내는 바와 같이, 정삼각형인 유전체(25)를 이용해도 좋다. 이 경우, 유전체(25)의 하면에 부착되는 금속 전극(27)은, 유전체(25)와 서로 비슷한 형상의 약간 작은 정삼각형으로 하면, 금속 전극(27)의 주위에 있어서, 유전체(25)의 주변부가 정삼각형의 윤곽을 나타내는 상태로 노출되게 된다. 또한, 이와 같이 정삼각형인 유전체(25)를 이용하는 경우, 3개의 유전체(25)의 꼭지각끼리를 인접시켜, 중심각이 동일해지도록 배치시키면, 각 유전체(25)끼리의 사이에, 금속 전극(27)과 동일한 형상의 표면파 전반부(115)를 형성시킬 수 있다.
(접속 부재의 구조)
또한, 전술한 바와 같이, 유전체(25) 및 금속 전극(27)은 덮개체(3)의 하면에 대하여 접속 부재(30)에 의해 부착되어 있다. 이 경우, 도 31에 나타내는 바와 같이, 탄성 부재(35)의 하부에 배치되는 하부 와셔(35a)와 나사(접속 부재(30))의 간극을 작게 할 필요가 있다. 또한, 탄성 부재(35)에는, 웨이브 와셔, 접시 스프링, 스프링 와셔, 금속 스프링 등이 이용된다. 또한, 탄성 부재(35)를 생략해도 좋다.
도 32는 탄성 부재(35)로서 접시 스프링을 이용한 타입이다. 접시 스프링은, 스프링력이 강하기 때문에 O링(37)을 누르기에 충분한 힘을 발생할 수 있다. 접시 스프링의 상하의 모서리가 너트(36) 및 덮개체(3)에 밀착되기 때문에, 가스의 누출을 억제할 수 있다. 접시 스프링의 재질은, Ni도금한 SUS 등이다.
도 33은 O링(35b)을 이용하여 시일하는 타입이다. 가스의 누출을 없앨 수 있다. O링(35b)은, 구멍 위의 모서리에 배치되어 있어도 좋다. O링(35b)과 함께, 웨이브 와셔, 접시 스프링 등의 탄성 부재를 이용해도 좋다. 시일하기 위해, O링(35b) 대신에 시일 와셔를 이용해도 좋다.
도 34는 테이퍼 와셔(35c)를 이용한 타입이다. 너트(36)를 단단히 조였을 때, 테이퍼 와셔(35c)와 덮개체(3) 및, 나사(접속 부재(30))가 밀착하여 간극이 없어져, 확실히 시일할 수 있다. 또한, 나사(접속 부재(30))가 테이퍼 와셔(35c)에 의해 덮개체(3)에 고정되기 때문에, 너트(36)를 조이고 있을 때에 너트(36)와 함께 나사(접속 부재(30))가 회전하는 일이 없다. 이 때문에, 나사(접속 부재(30))와 금속 전극(27) 등이 스쳐서 표면에 흠이 생기거나, 표면에 형성된 보호막이 벗겨져 버릴 우려가 없다. 테이퍼 와셔(35c)의 재질은, 금속 또는 수지가 좋다.
또한, 유전체(25) 및 금속 전극(27)을 고정하는 접속 부재(30)에 대해서 설명했지만, 금속 커버(45)를 고정하는 접속 부재(46) 및 사이드 커버(55)를 고정하는 접속 부재(65)에 대해서도 동일하게 적용할 수 있다. 또한, 도 31~34의 타입에 있어서는, 나사(접속 부재(30))의 회전 방지 기능이 그려져 있지 않지만, 나사(접속 부재(30))를 금속 전극(27) 등에 압입, 소감(燒嵌), 용접, 접착 등에 의해 고정해도 좋고, 나사(접속 부재(30))를 금속 전극(27) 등과 일체로 형성해도 좋다. 또한, 나사(접속 부재(30))와 덮개체(3)와의 사이에 키 홈을 형성하여, 키를 삽입하여 회전을 방지해도 좋다. 또한, 나사(접속 부재(30))의 말단(상단)부에 육각부등을 형성하여, 렌치 등으로 누르면서 나사(접속 부재(30))를 조이도록 해도 좋다.
(플라즈마 도핑 처리)
또한, 본 발명의 플라즈마 처리 장치를 이용하여 플라즈마 도핑 처리(이온 주입 처리)를 행할 수도 있다. 여기에서, RLSA 플라즈마 처리 장치에서는, 덮개체 하면이 상부 유전체에 덮여 있기 때문에, 서셉터에 대한 대항 전극이 기판 상방에 없어, 그라운드는 챔버 월이 된다. 그 때문에, RLSA 플라즈마 처리 장치에서는, 기판 상방에 대항 전극이 되는 그라운드 플레이트를 형성함으로써, 이온을 기판에 똑바로 끌어들일 필요가 있다. 그러나, 플라즈마 중에 그라운드 플레이트를 형성하면, 기판에 들이치는 이온이 그라운드 플레이트에 충돌하여, 그라운드 플레이트에 대미지를 부여하여 열을 발생시킨다. 즉, 플라즈마 도핑에 의한 이온의 효율이 손실되고, 충돌에 의한 스퍼터링과 열로 변환되기 때문에 오염의 문제가 발생한다.
이에 대하여, 본원 발명의 플라즈마 처리 장치에 의하면, 처리 용기(4)의 내부에 노출되는 유전체(25)의 노출 면적이 작고, 처리 용기(4) 내의 상방에 노출되는 덮개체(3) 하면의 대부분이 금속면이 된다. 이 때문에, 덮개체(3) 하면의 거의 전부가 그라운드 전극으로서 기능하여, 그라운드 전극을 생략해도, 기판(G)의 상면에 대하여 수직으로 플라즈마 도핑(이온 주입)시키는 것을 용이하게 할 수 있다고 생각할 수 있다.
또한, 그라운드 플레이트를 형성하면 부(負)의 DC를 걸 수 있기 때문에, 전위를 컨트롤할 수 있어, 플라즈마 도핑의 깊이를 컨트롤할 수 있다. 이 때문에, 본 발명의 플라즈마 처리 장치에 있어서, 그라운드 플레이트를 형성함으로써, 플라즈마 도핑 처리를 행할 때에, 플라즈마 도핑의 깊이를 컨트롤하는 경우도 생각할 수 있다.
예를 들면 도 1에서 설명한 플라즈마 처리 장치(1)에 있어서 기판(G)에 대한 플라즈마 도핑을 행하는 경우, 가스 공급원(102)으로부터 AsF3, BF3가, 플라즈마 여기용 가스 겸 도핑용 가스로서, 금속 커버(45) 하면, 금속 전극(27) 하면 및 사이드 커버(55) 하면의 각 가스 방출공(42, 52, 72)으로부터, 샤워 플레이트와 같은 상태로 처리 용기(4)의 내부를 향하여 분산하여 공급된다(플라즈마 여기용의 소정의 가스로서 Ar 등의 희가스(rare gas)와, 도핑용의 소정의 가스로서 AsF3, 또는 BF3 가스를 혼합하여 공급해도 좋다). 그리고, 마이크로파 공급 장치(85)로부터 예를 들면 915MHz의 마이크로파를 공급하여, 표면파 전반부 전체(금속 커버(45) 하면, 금속 전극(27) 하면 및 사이드 커버 내측 부분(58) 하면)에 있어서, 플라즈마를 여기시킨다. 이에 따라, AsF3(→AsF2 ＋＋F－), BF3(→BF2 ＋＋F－)가 되어, 도핑 이온인, AsF2 ＋, BF2 ＋ 이온이 생성된다. 그리고, 1×1015㎝－2 정도의 고(高)도스(dose)량을 10만회 정도로 분할하여 주입하고, 주입시에 발생하는 표면 정전하를 플라즈마 중의 전자로 완전하게 제거하면서, MOS 트랜지스터의 소스·드레인 영역 형성에 필수인 고도스 주입함으로써, 대미지의 발생을 완전하게 억제한다.
또한, 기판(G)에 도달하는 이온에 에너지를 부여하는 것이 필요하기 때문에, 서셉터(10) 내부에 설치된 급전부(11)에, 고주파 전원(13)으로부터 RF 전력을 인가함으로써 자기 바이어스 전압을 기판(G) 상에 발생시킨다. 이때, 처리 용기(4) 내의 상방에 노출되는 덮개체(3) 하면(사이드 커버(55) 하면, 금속 커버(45) 하면, 금속 전극(27) 하면)은, 기판(G)에 RF 전력을 인가했을 때의 그라운드면이 되기 때문에, 시간 평균의 플라즈마 전위를 거의 상승시키는 일 없이, 기판(G) 표면에 부의 셀프 바이어스를 발생시키는 것이 가능해진다.
이 경우, 도 35에 나타내는 바와 같이, 서셉터(10) 상의 기판(G) 표면에, -5 kV~-10kV 정도의 부바이어스를 10μsec 정도의 사이에 발생시켜, 이온 주입을 행하고, 이어서, 90μsec 정도의 사이는 표면에 발생한 정전하를 플라즈마로부터의 전자 주입으로 완전하게 지운다. 이것을 10만회 반복함으로써(10초), 1×1015㎝-2 정도의 고도스량이 된다.
총 도스량은 1×1015㎝-2가 된다. 10만회로 나누면 1회의 도스량은, 1×1010㎝-2가 된다. 이때, 도 36에 나타내는 바와 같이, 이온 주입에 의해 2차 전자가 발생하지만, 1개의 이온 주입이 10개의 2차 전자를 발생시킨다고 하면, 표면 발생 정전하 밀도 1.1×1011개/㎠가 된다. 이 정전하량은 1×1017㎝-3의 농도의 n영역의 전자가 11㎚의 두께만큼, 모두 재결합하여 소멸되는 양이다. 이 정전하를 90μsec의 사이의 플라즈마 중으로부터의 전자 주입으로 제거해 간다. 또한, 서셉터(10) 상의 기판(G) 표면에 발생시키는 부바이어스의 주기(이온 주입/전자 주입의 기간)는, 10μsec/90μsec의 대신에, 물론 20μsec/80μsec이라도 좋다. 또한, -5kV~-10 kV의 기판 바이어스는, 1MHz 정도의 고주파의 펄스를 급전부(11)에 인가함으로써 발생시킬 수 있다.
플라즈마 도핑을 행하는 경우, 17kV/㎝ 정도의 전계이면 대미지는 전혀 들어가지 않는다. 고도스량 주입을 10만회 정도로 나누어 주입하고, 그때마다 정전하를 제거하는 새로운 이온 주입은 대미지 프리 이온 주입을 실현할 수 있다.
1×1015㎝-2의 도스량을 연속 주입하면, 축적되는 정전하는 1.1×1016개/㎠가 되며, 발생하는 전계는
E＝1.7×109V/㎝
＝1.7×106kV/㎝
가 되어, Si의 절연 파괴 전계 강도 300kV/㎝를 훨씬 초과하고 있어, 강렬한 대미지가 들어간다. 이 때문에, 이온 주입은 세밀하게 나누어 주입하여, 발생하는 정전하를 지우지 않으면 안 된다.
(변형예 5)
도 37은, 변형예 5에 따른 플라즈마 처리 장치(1)의 개략적인 구성을 나타낸 종단면도이다. 이 변형예 5에 따른 플라즈마 처리 장치(1)는, 덮개체(3) 하면(금속 커버(45) 하면, 금속 전극(27) 하면 및 사이드 커버(55) 하면)에 형성된 가스 방출공(42, 52, 72)에 더하여, 하단 가스 노즐(120)이 형성되어 있다. 하단 가스 노즐(120)은, 덮개체(3)의 하면(금속 커버(45) 하면, 금속 전극(27) 하면 및 사이드 커버(55) 하면)과 기판(G)과의 공간에 형성되어 있다. 하단 가스 노즐(120)의 하면에는, 복수의 가스 방출공(121)이 분산하여 개구되어 있다.
이 변형예 5에 따른 플라즈마 처리 장치(1)에서는, 가스 공급원(102)은, 성막이나 에칭 등에 이용되는 처리용의 소정의 가스(예를 들면 BF3)를 공급하는 제1 가스 공급원(102a)과, 희가스 등의 플라즈마 여기용의 소정의 가스(예를 들면 Ar)를 공급하는 제2 가스 공급원(102b)을 구비하고 있다. 제1 가스 공급원(102a)으로부터 제1 유로(125)를 거쳐 공급된 성막이나 에칭용의 소정의 가스는, 하단 가스 노즐(120) 하면의 각 가스 방출공(121)으로부터, 처리 용기(4) 내의 하단에 있어서, 처리 용기(4)의 내부를 향하여 분산하여 공급된다. 한편, 제2 가스 공급원(102b)으로부터 제2 유로(126)를 거쳐 공급된 플라즈마 여기용의 소정의 가스는, 금속 커버(45) 하면, 금속 전극(27) 하면 및 사이드 커버(55) 하면의 각 가스 방출공(42, 52, 72)으로부터, 처리 용기(4) 내의 상단에 있어서, 처리 용기(4)의 내부를 향하여 분산하여 공급된다.
이와 같이, 변형예 5에 따른 플라즈마 처리 장치(1)에 의하면, 상단으로부터 플라즈마 여기용의 가스를, 하단의 전자 온도가 저하된 부분으로부터 처리용의 가스를 공급함으로써, 가스의 과잉 해리를 억제하여, 기판(G)에 양질인 플라즈마 처리를 행할 수 있다.
이상, 첨부 도면을 참조하면서 본 발명의 일 실시 형태에 대해서 설명했지만, 본 발명은 이러한 예에 한정되지 않는 것은 말할 필요도 없다. 당업자이면, 특허 청구의 범위에 기재된 범주 내에 있어서, 각종 변경예 또는 수정예에 생각이 미칠 수 있는 것은 분명하며, 그것들에 대해서도 당연히 본 발명의 기술적 범위에 속하는 것이라고 이해할 수 있다.
본 발명에 따른 플라즈마 처리 장치는, 처리 용기(4)의 내표면은 전계 복합 연마, 전계 연마의 표면 평탄화 후, 비(非)수용액의 양극 산화에 의한 Al2O3 보호막 등을 행하는 것이 바람직하다. 단, 플라즈마 도핑을 행하는 플라즈마 처리 장치에 대해서는, AsF3, PF3, BF3라는 불소 가스 100％로 주입을 행하기 때문에, Al2O3 보호막보다 MgF2 보호막이 바람직하다. MgF2 보호막은, 예를 들면 AlMg(4.5％~5％) Zr(0.1％)/F2 처리(200℃)/350℃ 어닐의 처리 조건으로 형성시킬 수 있다.
예를 들면, 유전체(25)의 표면에는, 처리 용기(4)의 내부에 노출되는 부분 및 유전체(25)의 오목부의 외주부를 제외하고, 도체막으로서, 예를 들면 두께 10㎛정도의 Ni막, Al막을 형성해도 좋다. 이와 같이 유전체(25)의 표면에 도체막을 형성함으로써, 처리 용기(4)의 내부에 노출되는 부분 이외의 개소에 있어서 마이크로파가 전파되지 않게 되어, O링(37) 등에 대한 악영향을 회피할 수 있다. 이 도체막의 형성 개소는, O링(37)과의 접촉 개소 외에, 유전체(25)의 상면 중앙에 형성된 오목부(95), 접속 부재(30)와의 인접 부분, 금속 전극(27)과의 접촉면의 적어도 일부 등을 생각할 수 있다.
또한, 덮개체(3)의 하면이나 용기 본체(2)의 내면에는, 보호막으로서 알루미나막, 이트리아막, 테플론(등록 상표)막 등을 형성해도 좋다. 또한, 본 발명에 따른 플라즈마 처리 장치는, 대면적의 유리 기판, 원형의 실리콘 웨이퍼나 각형의 SOI(Silicon On Insulator)를 처리할 수도 있다. 또한, 본 발명에 따른 플라즈마 처리 장치에서는, 성막 처리, 확산 처리, 에칭 처리, 애싱 처리 등의 모든 플라즈마 처리를 실행할 수 있다. 또한, 이상에서는, 주파수가 2GHz 이하의 마이크로파로서 915MHz의 마이크로파를 예로 하여 설명했지만, 이 주파수에 한정되지 않는다. 예를 들면 896MHz, 922MHz의 마이크로파도 적용할 수 있다. 또한, 마이크로파 이외의 전자파에도 적용할 수 있다. 또한, 덮개체(3), 용기 본체(2), 금속 전극(27), 금속 커버(45), 사이드 커버(55), 접속 부재(30, 46, 65) 등의 표면에는, 알루미나막을 형성해도 좋다. 이상에서는, 가스는 처리 용기(4)의 상면에 열린 가스 방출공(42, 52, 72)으로부터 방출되는 예를 나타냈지만, 그 대신에 용기 측벽으로부터 덮개체(3)의 하부 공간을 향하여 방출되는 구성이라도 좋다. 또한, 본원에서는 유전체 하면에 형성된 금속체를 「금속 전극」이라고 정의하고 있고, 실시예의 금속 전극(27)은 금속판으로 구성되어 덮개체에 전기적으로 접속되어 있지만, 금속판 대신에 유전체(25) 하면에 피착시킨 금속막으로 구성해도 좋고, 덮개체에 전기적으로 접속시키지 않고 플로팅(floating)해도 좋다.
본 발명은, 예를 들면 CVD 처리, 에칭 처리에 적용할 수 있다.
G : 기판
1 : 플라즈마 처리 장치
2 : 용기 본체
3 : 덮개체
4 : 처리 용기
10 : 서셉터
11 : 급전부
12 : 히터
20 : 배기구
25 : 유전체
27 : 금속 전극
30, 46, 65 : 접속 부재
32 : 공간부
37 : O링
42, 52, 72 : 가스 방출공
45 : 금속 커버
55 : 사이드 커버
56, 57 : 홈
58 : 사이드 커버 내측 부분
59 : 사이드 커버 외측 부분
85 : 마이크로파 공급 장치
86 : 동축관
90 : 분기판
92 : 금속 막대
102 : 가스 공급원
103 : 냉매 공급원

Claims (42)

  1. 플라즈마 처리되는 기판을 수납하는 금속제의 처리 용기와, 상기 처리 용기 내에 플라즈마를 여기(excitation)시키기 위해 필요한 전자파를 공급하는 전자파원(源)을 구비하고,
    상기 전자파원으로부터 공급되는 전자파를 상기 처리 용기의 내부에 투과시키는, 상기 처리 용기의 내부에 일부를 노출시킨 복수의 유전체를, 상기 처리 용기의 덮개체 하면에 구비한 플라즈마 처리 장치로서,
    상기 유전체의 하면에 금속 전극이 형성되고,
    상기 금속 전극과 상기 덮개체 하면의 사이에 노출되는 상기 유전체의 부분의 상이한 2개의 측에, 전자파를 전반(propagation)시키는 표면파 전반부가 형성되며, 상기 2개의 측의 표면파 전반부가 서로 닮은꼴 또는 대칭 형상인 플라즈마 처리 장치.
  2. 플라즈마 처리되는 기판을 수납하는 금속제의 처리 용기와, 상기 처리 용기 내에 플라즈마를 여기시키기 위해 필요한 전자파를 공급하는 전자파원을 구비하고,
    상기 전자파원으로부터 공급되는 전자파를 상기 처리 용기의 내부에 투과시키는, 상기 처리 용기의 내부에 일부를 노출시킨 복수의 유전체를, 상기 처리 용기의 덮개체 하면에 구비한 플라즈마 처리 장치로서,
    상기 유전체의 하면에 금속 전극이 형성되고,
    상기 금속 전극과 상기 덮개체 하면의 사이에 노출되는 상기 유전체의 부분의 적어도 일부에 인접하여 전자파를 전반시키는 표면파 전반부가 형성되며, 상기 인접하는 표면파 전반부는 상기 유전체의 형상과 닮은꼴을 이루는 형상을 갖거나, 또는 상기 유전체의 형상과 대칭이 되는 형상을 갖는 플라즈마 처리 장치.
  3. 플라즈마 처리되는 기판을 수납하는 금속제의 처리 용기와, 상기 처리 용기 내에 플라즈마를 여기시키기 위해 필요한 전자파를 공급하는 전자파원을 구비하고,
    상기 전자파원으로부터 공급되는 전자파를 상기 처리 용기의 내부에 투과시키는, 상기 처리 용기의 내부에 일부를 노출시킨 복수의 유전체를, 상기 처리 용기의 덮개체 하면에 구비한 플라즈마 처리 장치로서,
    상기 유전체의 하면에 금속 전극이 형성되고,
    상기 금속 전극과 상기 덮개체 하면의 사이에 노출되는 상기 유전체의 부분이, 상기 처리 용기의 내부로부터 보아 다각형의 윤곽을 이루고,
    상기 복수의 유전체는, 상기 다각형의 윤곽의 꼭지각끼리를 인접시켜 배치되고,
    상기 처리 용기의 내부에 노출된 상기 덮개체 하면과 상기 금속 전극 하면에, 전자파를 전반시키는 표면파 전반부가 형성되어 있는 플라즈마 처리 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 유전체는 사각형의 판 형상인 플라즈마 처리 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 사각형은, 정사각형, 마름모형, 모서리가 둥근 정사각형 또는 모서리가 둥근 마름모형인 플라즈마 처리 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 유전체는 삼각형의 판 형상인 플라즈마 처리 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 삼각형은 정삼각형 또는 모서리가 둥근 정삼각형인 플라즈마 처리 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 처리 용기의 내부로부터 보아, 상기 복수의 유전체로 둘러싸여 있는 상기 처리 용기의 내부에 노출된 상기 덮개체 하면의 형상과, 상기 금속 전극 하면의 형상이 동일한 플라즈마 처리 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 처리 용기의 내부로부터 보아, 상기 유전체의 외연(外緣)이, 상기 금속 전극의 외연보다 외측에 있는 플라즈마 처리 장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 처리 용기의 내부로부터 보아, 상기 유전체의 외연이, 상기 금속 전극의 외연과 동일하거나, 또는 내측에 있는 플라즈마 처리 장치.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 유전체의 두께가, 서로 이웃하는 상기 유전체의 중심 간의 거리의 1/29 이하인 플라즈마 처리 장치.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 유전체의 두께가, 서로 이웃하는 상기 유전체의 중심 간의 거리의 1/40 이하인 플라즈마 처리 장치.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 유전체는, 상기 덮개체 하면에 형성된 오목부에 삽입되어 있는 플라즈마 처리 장치.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 처리 용기의 내부에 노출된 상기 덮개체 하면과, 상기 금속 전극 하면이 동일면에 배치되어 있는 플라즈마 처리 장치.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 처리 용기의 내부에 노출된 상기 덮개체 하면과 상기 금속 전극 하면은, 부동태 보호막으로 덮여 있는 플라즈마 처리 장치.
  16. 제1항에 있어서,
    상기 처리 용기의 내부에 노출된 상기 덮개체 하면과 상기 금속 전극 하면의 중심선 평균 거칠기(Arithmetic Average Roughness)가 2.4㎛ 이하인 플라즈마 처리 장치.
  17. 제1항에 있어서,
    상기 처리 용기의 내부에 노출된 상기 덮개체 하면과 상기 금속 전극 하면의 중심선 평균 거칠기가 0.6㎛ 이하인 플라즈마 처리 장치.
  18. 제1항에 있어서,
    상기 덮개체 하면에 있어서, 상기 유전체에 인접하는 영역에, 상기 덮개체와 전기적으로 접속된 금속 커버가 부착되고,
    상기 처리 용기의 내부에 노출된 상기 금속 커버 하면에, 전자파를 전반시키는 표면파 전반부가 형성되어 있는 플라즈마 처리 장치.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 유전체의 측면이 상기 금속 커버의 측면과 인접하고 있는 플라즈마 처리 장치.
  20. 제18항에 있어서,
    상기 처리 용기의 내부에 노출된 상기 금속 커버 하면과, 상기 금속 전극 하면이 동일면에 배치되어 있는 플라즈마 처리 장치.
  21. 제18항에 있어서,
    상기 처리 용기의 내부로부터 보아, 상기 금속 커버 하면의 형상과, 상기 금속 전극 하면의 형상이 동일한 플라즈마 처리 장치.
  22. 제18항에 있어서,
    상기 처리 용기의 내부에 노출된 상기 금속 커버 하면과 상기 금속 전극 하면의 중심선 평균 거칠기가 2.4㎛ 이하인 플라즈마 처리 장치.
  23. 제18항에 있어서,
    상기 처리 용기의 내부에 노출된 상기 금속 커버 하면과 상기 금속 전극 하면의 중심선 평균 거칠기가 0.6㎛ 이하인 플라즈마 처리 장치.
  24. 제1항에 있어서,
    상기 유전체에 형성된 구멍을 관통하고, 상기 금속 전극을 상기 덮개체에 고정하는 복수의 접속 부재를 구비하는 플라즈마 처리 장치.
  25. 제24항에 있어서,
    상기 유전체에 형성된 구멍의 적어도 일부에는, 상기 덮개체와 상기 금속 전극을 전기적으로 접속시키는 탄성 부재가 형성되어 있는 플라즈마 처리 장치.
  26. 제24항에 있어서,
    상기 접속 부재는 금속으로 이루어지는 플라즈마 처리 장치.
  27. 제24항에 있어서,
    상기 처리 용기의 내부에 노출되는 상기 접속 부재의 하면이, 상기 금속 전극의 하면과 동일면에 배치되어 있는 플라즈마 처리 장치.
  28. 제24항에 있어서,
    상기 유전체는 사각형의 판 형상이고,
    상기 접속 부재는 상기 사각형의 대각선 상에 배치되어 있는 플라즈마 처리 장치.
  29. 제28항에 있어서,
    상기 접속 부재는, 1개의 상기 유전체당 4개 형성되어 있는 플라즈마 처리 장치.
  30. 제1항에 있어서,
    상기 유전체 및 상기 금속 전극을, 상기 덮개체를 향하여 탄성 지지하는 탄성 부재를 갖는 플라즈마 처리 장치.
  31. 제1항에 있어서,
    상기 덮개체 하면에는, 연속하는 홈이 형성되어 있고,
    상기 표면파 전반부 및 상기 복수의 유전체는, 홈으로 둘러싸인 영역 내에 배치되는 플라즈마 처리 장치.
  32. 제31항에 있어서,
    상기 홈에 의해 상기 표면파 전반부가 구획되어 있는 플라즈마 처리 장치.
  33. 제1항에 있어서,
    상기 처리 용기의 내면에는, 연속하는 볼록부가 형성되어 있고,
    상기 표면파 전반부 및 상기 복수의 유전체는, 볼록부로 둘러싸인 영역 내에 배치되는 플라즈마 처리 장치.
  34. 제33항에 있어서,
    상기 볼록부에 의해 상기 표면파 전반부가 구획되어 있는 플라즈마 처리 장치.
  35. 제1항에 있어서,
    상기 유전체의 상부에는, 상기 유전체를 관통하지 않고, 상기 유전체의 상면에 하단이 인접 또는 근접한, 전자파를 상기 유전체에 전하는 1개 또는 복수의 금속 막대를 구비하고 있는 플라즈마 처리 장치.
  36. 제35항에 있어서,
    상기 금속 막대는 상기 유전체의 중앙부에 배치되어 있는 플라즈마 처리 장치.
  37. 제35항에 있어서,
    상기 유전체와 상기 덮개체와의 사이에, 상기 처리 용기의 내부와 외부와의 분위기를 갈라 놓는 봉지(封止) 부재를 구비하고 있는 플라즈마 처리 장치.
  38. 제1항에 있어서,
    상기 유전체의 노출 부분의 면적이 상기 표면파 전반부의 면적의 1/2 이하인 플라즈마 처리 장치.
  39. 제1항에 있어서,
    상기 유전체의 노출 부분의 면적이 상기 표면파 전반부의 면적의 1/5 이하인 플라즈마 처리 장치.
  40. 제1항에 있어서,
    상기 표면파 전반부에, 처리 용기에 소정의 가스를 방출시키는 가스 방출부를 갖는 플라즈마 처리 장치.
  41. 제1항에 있어서,
    상기 유전체의 노출 부분의 면적이 기판 상면의 면적의 1/5 이하인 플라즈마 처리 장치.
  42. 제1항에 있어서,
    상기 전자파원으로부터 공급되는 전자파의 주파수가 2GHz 이하인 플라즈마 처리 장치.
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