KR20230118663A - 플라스마 처리 장치 - Google Patents

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KR20230118663A
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plasma processing
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다로 이케다
사토루 가와카미
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도쿄엘렉트론가부시키가이샤
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Abstract

기판 지지부의 상방 샤워 헤드와, 챔버의 상방에서 연직 방향으로 연장해서 샤워 헤드의 상부 중앙에 접속된 가스 공급관과, 가스 공급관이 관통하여, VHF파 이상의 전자파를 도입하고, 가스를 활성화시키는 도입부와, 가스 공급관에 접속된 전자파의 공급로를 구비하고, 도입부는 샤워 헤드의 상류측에 배치되어, 제1 가스를 공급하고, 전자파에 의해 제1 가스를 해리시키는 제1 해리 공간을 갖고, 상기 챔버는, 기판 지지부와 샤워 헤드와의 사이의 프로세스 공간이며 제1 해리 공간에서 해리한 제1 가스와 가스 공급관으로부터의 제2 가스를 샤워 헤드의 하류측에서 합류시켜, 전자파보다 주파수가 낮은 고주파에 의해 제1 가스 및 제 2 가스를 해리시키는 제2 해리 공간을 갖고, 제1 해리 공간의 대략 원통 형상의 직경은, 전자파의 진공 중의 실효 파장을 λg로 했을 때에 λg/6보다 작은 플라스마 처리 장치가 제공된다.

Description

플라스마 처리 장치
본 개시는, 플라스마 처리 장치에 관한 것이다.
특허문헌 1은, 서로 평행한 고주파 인가 전극과 플라스마 분리용의 중간 메쉬 플레이트 전극 사이에 협지된 플라스마 발생실과, 플라스마 발생실 외에 위치하고, 중간 메쉬 플레이트 전극과 평행하게 기판을 설치하는 대향 전극을 갖는 플라스마 CVD 장치를 제안한다. 특허문헌 1에서는, 중간 메쉬 플레이트 전극이 대향 전극측 및 고주파 인가 전극측의 쌍방향으로 이동 가능하며, 또한 대향 전극에 고주파가 인가 가능하다.
특허문헌 2는, VHF파를 도입하여, VHF파에 의해 가스로부터 플라스마를 생성하는 플라스마 처리 장치를 제안한다. 특허문헌 2에서는, 상부 전극 및 하부 전극은, 각각 서로 대향하는 면에 오목부를 구비하고, 상부 전극 및 하부 전극 각각의 오목부 내에는, 상부 유전체 및 하부 유전체가 각각 마련되고, 상부 유전체와 하부 유전체와의 사이의 공간의 가로 방향 단부에는, VHF파의 도입부가 마련되어 있다.
특허문헌 3은, 마이크로파를 도입하여, 마이크로파에 의해 가스로부터 플라스마를 생성하는 플라스마 처리 장치를 제안한다.
일본 특허 공개 평11-162957호 공보 일본 특허 공개 제2020-92033호 공보 일본 특허 공개 평11-204295호 공보
본 개시는, 플라스마 프로세스의 균일성의 향상을 도모할 수 있는 플라스마 처리 장치를 제공한다.
본 개시의 일 양태에 의하면, 챔버와, 상기 챔버의 내부에 마련되고, 처리 대상의 기판이 설치되는 기판 지지부와, 금속으로 형성되어, 상기 챔버의 내부 공간을 향해서 개구된 복수의 가스 구멍을 제공하고, 상기 기판 지지부의 상방에 마련된 샤워 헤드와, 금속으로 형성되어, 상기 챔버의 상방에서 연직 방향으로 연장되고, 상기 샤워 헤드의 상부 중앙에 접속된 가스 공급관과, 상기 챔버의 상방에서 상기 가스 공급관이 관통하고, VHF파 이상의 전자파를 도입하여, 가스를 활성화시키도록 구성된 도입부와, 상기 가스 공급관에 접속된 전자파의 공급로를 구비하고, 상기 도입부는, 상기 샤워 헤드의 상류측에 배치되어, 제1 가스를 공급하고, 상기 전자파에 의해 상기 제1 가스를 해리시키는 제1 해리 공간을 갖고, 상기 챔버는, 상기 기판 지지부와 상기 샤워 헤드와의 사이의 프로세스 공간이며, 상기 제1 해리 공간에서 해리한 상기 제1 가스와 상기 가스 공급관으로부터의 제2 가스를 상기 샤워 헤드의 하류측에서 합류시켜, 상기 전자파보다 주파수가 낮은 고주파에 의해 상기 제1 가스 및 상기 제2 가스를 해리시키는 제2 해리 공간을 갖고, 상기 제1 해리 공간의 단면으로 보아 형상은 대략 원통 형상이며, 상기 제1 해리 공간의 상기 대략 원통 형상의 직경은, 전자파의 진공 중의 실효 파장을 λg로 했을 때에 λg/6보다 작은, 플라스마 처리 장치가 제공된다.
하나의 측면에 의하면, 플라스마 프로세스의 균일성의 향상을 도모할 수 있다.
도 1은 제1 실시 형태에 관한 플라스마 처리 장치의 일례를 도시하는 단면 모식도이다.
도 2는 도 1의 II-II선을 따라 절단한 단면도이다.
도 3은 제1 실시 형태에 관한 도입부의 단면을 확대한 도이다.
도 4는 제1 실시 형태에 관한 플라스마 처리 장치의 변형예 1을 도시하는 단면 사시도이다.
도 5는 제1 실시 형태에 관한 플라스마 처리 장치의 변형예 2를 도시하는 단면 사시도이다.
도 6은 제2 실시 형태에 관한 플라스마 처리 장치의 일례를 도시하는 단면 모식도이다.
도 7은 도 6의 III-III선을 따라 절단한 단면도이다.
도 8은 제2 실시 형태에 관한 도입부의 단면을 확대한 도이다.
도 9는 제2 실시 형태에 관한 플라스마 처리 장치의 변형예 1을 도시하는 단면 사시도이다.
도 10은 제2 실시 형태에 관한 플라스마 처리 장치의 변형예 2를 도시하는 단면 사시도이다.
이하, 도면을 참조하여 본 개시를 실시하기 위한 형태에 대해서 설명한다. 각 도면에 있어서, 동일 구성 부분에는 동일 부호를 붙이고, 중복한 설명을 생략할 경우가 있다.
하나의 예시적 실시 형태에 있어서, 플라스마 처리 장치가 제공된다. 플라스마 처리 장치는, 챔버, 기판 지지부, 샤워 헤드, 가스 공급관, 도입부 및 전자파의 공급로를 구비한다. 기판 지지부는, 챔버의 내부에 마련되고, 처리 대상의 기판이 설치된다. 샤워 헤드는, 금속으로 형성되어 있다. 샤워 헤드는, 챔버의 내부 공간을 향해서 개구된 복수의 가스 구멍을 제공하고, 기판 지지부의 상방에 마련되어 있다. 가스 공급관은, 금속으로 형성되어 있다. 가스 공급관은, 챔버의 상방에서 연직 방향으로 연장되고, 샤워 헤드의 상부 중앙에 접속되어 있다.
도입부는, 챔버의 상부 덮개 상면에 마련되어, 가스 공급관이 관통한다. 도입부는, VHF파 이상의 주파수의 전자파를 도입하여, 가스를 활성화시키도록 구성한다. 전자파의 공급로는, 가스 공급관에 접속되어 있다. 가스 공급관은, 환상의 플랜지부를 포함한다. 전자파의 공급로는, 플랜지부에 접속된 도체를 포함한다.
도입부는, 제1 해리 공간을 갖는다. 제1 해리 공간은, 샤워 헤드의 상류측에 배치되어, 제1 가스를 공급하고, 전자파에 의해 제1 가스를 해리시킨다. 챔버는, 제2 해리 공간을 갖는다. 제2 해리 공간은 챔버 내의 프로세스 공간이다. 제2 해리 공간은, 기판 지지부와 샤워 헤드와의 사이의 프로세스 공간이다. 제1 해리 공간에서 해리한 제1 가스와, 가스 공급관에서의 제2 가스는 샤워 헤드의 하면으로부터 제2 해리 공간에 도입되어, 샤워 헤드의 하류측의 제2 해리 공간에서 합류한다. 제2 해리 공간에 있어서 VHF파 이상의 전자파보다 주파수가 낮은 고주파에 의해 제1 가스 및 제 2 가스를 해리시킨다.
제1 해리 공간의 횡단면시 형상은 대략 원통 형상이며, 제1 해리 공간의 대략 원통 형상의 직경은, VHF파 이상의 전자파의 진공 공간에 있어서의 실효 파장을 λg로 했을 때에 λg/6보다 작은 치수이다.
이하, 도면을 참조하여 여러가지 예시적 실시 형태에 대해서 상세하게 설명한다. 플라스마 처리 장치의 성능을 높이기 위한 한 수단으로서 주파수를 높게 하는 것을 생각할 수 있는데, 이 경우, 일반적인 고주파(예: 13.56MHz)보다 주파수가 높은 VHF파, UHF파의 사용을 생각할 수 있다. VHF파, UHF파는 주파수가 높기 때문에, 일반적인 고주파에서는 해리하기 어려운 가스를 고해리로 제어할 수 있고, 플라스마 처리 장치(1)의 성능을 높일 수 있다. 그러나, VHF파, UHF파를 챔버 내에 인가하면, 이들의 전자파의 파장은 일반적인 고주파보다 짧아지기 때문에 플라스마의 균일성이 나빠지고, 성막, 에칭 등의 프로세스를 균일하게 할 수 없는 경우가 있다.
이하에 설명하는 플라스마 처리 장치에서는, VHF파, UHF파의 전자파에서 가스를 해리시킬 때에 플라스마의 균일성이 나빠지지 않도록, 챔버 내의 프로세스 공간(제2 해리 공간)과는 별도로 플라스마 생성부의 하나로서 제1 해리 공간을 챔버 상방에 별도 독립해서 마련한다. 이에 의해, VHF파 이상의 전자파를 사용한 플라스마 프로세스의 균일성을 도모하는 것이 가능한 플라스마 처리 장치를 제공한다.
<제1 실시 형태>
[플라스마 처리 장치]
최초로, 제1 실시 형태에 관한 플라스마 처리 장치(1)에 대해서, 도 1 내지 도 3을 참조하여 설명한다. 도 1은, 제1 실시 형태에 관한 플라스마 처리 장치(1)의 일례를 도시하는 단면 모식도이다. 도 2는, 도 1의 II-II선을 따라 절단한 단면도이다. 도 3은, 제1 실시 형태에 관한 도입부의 단면을 확대한 도이다.
도 1에 도시하는 플라스마 처리 장치(1)는, 전자파에 의해 가스로부터 플라스마를 생성하도록 구성되어 있다. 전자파의 주파수는, VHF파 이상이며, VHF파 및 UHF파를 포함한다. VHF파의 주파수 대역은 30MHz 내지 300MHz이며, UHF파의 주파수 대역은 300MHz 내지 3GHz이다. 전자파는, 보다 바람직하게는, 150MHz 이상의 VHF파 또는 UHF파이다.
플라스마 처리 장치(1)는, 챔버(10)를 구비하고 있다. 챔버(10)는, 내부 공간을 구획 형성하고 있다. 기판(W)은 챔버(10)의 내부 공간에서 처리된다. 챔버(10)는, 그 중심 축선으로서 축선(AX)을 갖고 있다. 축선(AX)은, 연직 방향으로 연장되는 축선이다.
일 실시 형태에 있어서는, 챔버(10)는, 챔버 본체(12)를 포함하고 있어도 된다. 챔버 본체(12)는, 대략 원통 형상을 갖고 있고, 그 상부에 있어서 개구되어 있다. 챔버 본체(12)는, 챔버(10)의 측벽 및 저부를 제공하고 있다. 챔버 본체(12)는, 알루미늄과 같은 금속으로 형성되어 있다. 챔버 본체(12)는, 접지되어 있다.
챔버 본체(12)의 측벽은, 통로(12p)를 제공하고 있다. 기판(W)은, 챔버(10)의 내부와 외부 사이에서 반송될 때에, 통로(12p)를 통과한다. 통로(12p)는, 게이트 밸브(12v)에 의해 개폐 가능하다. 게이트 밸브(12v)는, 챔버 본체(12)의 측벽을 따라 마련되어 있다.
챔버(10)는, 상벽(14)을 더 포함해도 된다. 상벽(14)은, 알루미늄과 같은 금속으로 형성되어 있다. 상벽(14)은, 챔버 본체(12)의 상부 개구를 닫고 있다. 상벽(14)은, 챔버 본체(12)와 함께 접지되어 있다.
챔버(10)의 저부는, 배기구를 제공하고 있다. 배기구는, 배기 장치(16)에 접속되어 있다. 배기 장치(16)는, 자동 압력 제어 밸브와 같은 압력 제어기 및 터보 분자 펌프와 같은 진공 펌프를 포함하고 있다.
플라스마 처리 장치(1)는, 기판 지지부(18)를 더 구비한다. 기판 지지부(18)는, 챔버(10) 내에 마련되어 있다. 기판 지지부(18)는, 그 위에 적재되는 기판(W)을 지지하도록 구성되어 있다. 기판(W)은, 대략 수평한 상태에서 기판 지지부(18) 위에 적재된다. 기판 지지부(18)는, 지지 부재(19)에 의해 지지되어 있어도 된다. 지지 부재(19)는, 챔버(10)의 저부로부터 상방으로 연장되어 있다. 기판 지지부(18) 및 지지 부재(19)는, 질화알루미늄 등의 유전체로 형성될 수 있다.
플라스마 처리 장치(1)는, 샤워 헤드(20)를 더 구비한다. 샤워 헤드(20)는, 알루미늄과 같은 금속으로 형성되어 있다. 샤워 헤드(20)는, 대략 원반 형상을 갖고 있고, 중공 구조를 갖는다. 샤워 헤드(20)는, 그 중심 축선으로서 축선(AX)을 공유하고 있다. 샤워 헤드(20)는, 기판 지지부(18)의 상방, 또한, 상벽(14)의 하부에 마련되어 있다. 샤워 헤드(20)는, 챔버(10)의 내부 공간을 구획 형성하는 천장부를 구성하고, 상부가 상벽(14)에 감입되어 있다.
샤워 헤드(20)는, 복수의 제1 가스 구멍(20h) 및 복수의 제2 가스 구멍(20i)을 제공하고 있다. 복수의 제1 가스 구멍(20h) 및 복수의 제2 가스 구멍(20i)은, 샤워 헤드(20)의 하면에 개구되어, 챔버(10) 내의 샤워 헤드(20)와 기판 지지부(18)와의 사이의 프로세스 공간을 향해서 가스가 도입된다. 샤워 헤드(20)와 기판 지지부(18)와의 사이의 프로세스 공간을, 「제2 해리 공간(30e)」 이라고도 한다.
샤워 헤드(20)는, 그 안에 제1 확산실(30c) 및 제2 확산실(30d)을 더 제공하고 있다. 샤워 헤드(20)는, 샤워 헤드(20)의 상단을 구성하고, 내부에 제1 확산실(30c)을 갖는 상단부(20a)와, 샤워 헤드(20)의 하단을 구성하고, 내부에 제2 확산실(30d)을 갖는 하단부(20b)를 갖는다. 이에 의해, 샤워 헤드(20)는, 제1 가스를 상부의 제1 확산실(30c)로부터 복수의 제1 가스 구멍(20h)에 통과시켜서 프로세스 공간인 제2 해리 공간(30e)에 도입하는 제1 가스 경로를 형성한다. 또한, 샤워 헤드(20)는, 제2 가스를 제2 확산실(30d)로부터 복수의 제2 가스 구멍(20i)에 통과시켜서 제2 해리 공간(30e)에 도입하는 제2 가스 경로를 형성한다. 그리고, 제1 가스 경로와 제2 가스 경로를 독립한 경로로 함으로써, 제2 해리 공간(30e)에 가스를 도입하기 전의 경로에서는 제1 가스와 제2 가스를 합류시키지 않도록 구성한다.
플라스마 처리 장치(1)는, 도입부(2)를 더 구비한다. 도입부(2)는, 알루미늄과 같은 금속으로 형성된 대략 원통 형상의 하우징(46)을 갖고, 중공 구조로 되어 있다. 하우징(46)은, 그 중심 축선으로서 축선(AX)을 공유하고 있다. 도입부(2)의 하단은, 챔버(10)의 상방의 상벽(14)의 위에 고정되어 있다.
도입부(2)의 상단은, 하우징(46)의 외경과 동일한 직경을 갖는 원반상의 커버 도체(44)에 의해 폐색되어 있다. 커버 도체(44)는, 알루미늄과 같은 금속으로 형성되어 있다. 하우징(46)의 하방측 측벽에는, 가스 유로(29)가 형성되어 있다. 가스 유로(29)는, 가스 라인을 개재해서 제1 가스원(28)에 접속되어 있다. 도입부(2)의 구조 및 기능의 상세에 대해서는 후술한다.
가스 유로(29)는, 하우징(46)의 측벽에 원주 방향으로 균등하게 가스 구멍을 갖고, 제1 가스원(28)으로부터의 제1 가스를 도입부(2)의 중공 공간으로부터 샤워 헤드(20)에 공급한다. 제1 가스는, 환원 가스이며, N2 가스, H2 가스, NH3 가스 등이어도 된다. 제1 가스는, 제1 확산실(30c)을 개재하여, 복수의 제1 가스 구멍(20h)으로부터 챔버(10) 내에 도입된다. 복수의 제1 가스 구멍(20h)은, 제1 확산실(30c)로부터 하방으로 연장되고, 제2 확산실(30d)을 관통하는 가스관을 개재해서 제1 확산실(30c)과 제2 해리 공간(30e)을 접속한다. 복수의 제1 가스 구멍(20h)은 제2 확산실(30d)과 연통하지 않고, 제2 확산실(30d)에 제1 가스를 공급 하지 않고, 제2 해리 공간(30e)에 제1 가스를 공급한다. 따라서, 제1 가스는, 제2 확산실(30d)에 공급되는 제2 가스와 제2 확산실(30d)에서 합류하는 일은 없다.
플라스마 처리 장치(1)는, 가스 공급관(22)을 더 구비한다. 가스 공급관(22)은, 대략 원통 형상의 관이다. 가스 공급관(22)은, 알루미늄과 같은 금속으로 형성되어 있다. 가스 공급관(22)은, 샤워 헤드(20)의 상방에 있어서, 연직 방향으로 연장되어 있다. 가스 공급관(22)은, 그 중심 축선으로서 축선(AX)을 공유하고 있다. 가스 공급관(22)은, 커버 도체(44) 및 하우징(46)을 관통하고 있다.
가스 공급관(22)의 하단은, 샤워 헤드(20)의 상부 중앙에 접속되어 있다. 샤워 헤드(20)의 상부 중앙은, 가스의 입구를 제공하고 있다. 입구는, 제2 확산실(30d)에 접속되어 있다. 가스 공급관(22)은, 제2 가스를 샤워 헤드(20)에 공급한다. 복수의 제2 가스 구멍(20i)은, 제1 확산실(30c)에 접속되어 있지 않고, 제2 확산실(30d)에 접속되며, 제2 확산실(30d)로부터 하방으로 연장되어, 제2 해리 공간(30e)에 가스를 공급한다. 가스 공급관(22)으로부터의 제2 가스는, 샤워 헤드(20)의 입구 및 제 2 확산실(30d)을 개재하여, 복수의 제2 가스 구멍(20i)으로부터 챔버(10) 내에 도입된다.
일 실시 형태에 있어서, 플라스마 처리 장치(1)는, 제2 가스원(24), 제3 가스원(26) 및 리모트 플라스마원(27)을 더 구비하고 있어도 된다. 가스 공급관(22)은, 도입부(2)(공진기(31))를 관통하여, 제2 가스를 공급하는 배관 또는 리모트 플라스마용의 배관으로서 기능한다.
제2 가스원(24)은, 가스 공급관(22)에 접속되어 있다. 제2 가스원(24)은, 성막 가스의 가스원일 수 있다. 성막 가스는, 제2 가스의 일례이며, 과도하게 해리시키고 싶지 않은 가스이다. 성막 가스로서는, 실리콘 함유 가스를 포함하고 있어도 된다. 실리콘 함유 가스는, 예를 들어 실란 가스(SiH4)를 포함한다. 성막 가스는, 다른 가스를 더 포함하고 있어도 된다. 예를 들어, 성막 가스는, NH3 가스, N2 가스, Ar과 같은 희가스 등을 더 포함하고 있어도 된다. 제2 가스원(24)으로부터의 가스(예를 들어 성막 가스)는, 가스 공급관(22)을 개재해서 샤워 헤드(20)로부터 챔버(10) 내의 제2 해리 공간(30e)에 도입된다.
제3 가스원(26)은, 리모트 플라스마원(27)을 개재하여, 가스 공급관(22)에 접속되어 있다. 제3 가스원(26)은, 클리닝 가스의 가스원일 수 있다. 클리닝 가스는, 제3 가스의 일례이다. 클리닝 가스는, 할로겐 함유 가스를 포함하고 있어도 된다. 할로겐 함유 가스는, 예를 들어 NF3 및/또는 Cl2를 포함한다. 클리닝 가스는, 다른 가스를 더 포함하고 있어도 된다. 클리닝 가스는, Ar과 같은 희가스를 더 포함하고 있어도 된다.
리모트 플라스마원(27)은, 챔버(10)로부터 이격된 장소에서 제3 가스원(26)으로부터의 가스를 여기시켜서 플라스마를 생성한다. 일 실시 형태에서는, 리모트 플라스마원(27)은, 클리닝 가스로부터 플라스마를 생성한다. 리모트 플라스마원(27)은, 어떠한 타입의 플라스마원이여도 된다. 리모트 플라스마원(27)으로서는, 용량 결합형의 플라스마원, 유도 결합형의 플라스마원, 또는 마이크로파에 의해 플라스마를 생성하는 플라스마원이 예시된다. 리모트 플라스마원(27)에 있어서 생성된 플라스마 중의 라디칼은, 가스 공급관(22)을 개재해서 샤워 헤드(20)로부터 제2 해리 공간(30e)에 도입된다. 라디칼의 실활을 억제하기 위해서, 가스 공급관(22)은, 비교적 굵은 직경을 갖을 수 있다. 가스 공급관(22)의 외경(직경)은, 예를 들어 40mm 이상이다. 일례에 있어서, 가스 공급관(22)의 외경(직경)은 80mm이다. 또한, 가스 공급관(22)의 외경(직경)은, 플랜지부(22f) 이외의 부분(22a)에서의 가스 공급관(22)의 외경이다. 이와 같이 하여 클리닝 가스는, 미리 리모트 플라스마원(27)에서 해리된 상태에서 가스 공급관(22)으로부터 챔버(10) 내의 제2 해리 공간(30e)에 공급된다. 이 때문에, 클리닝 가스는, 챔버(10) 내의 제2 해리 공간 (30e)에서 해리시킬 일은 없다.
샤워 헤드(20)의 상단부(20a) 및 하단부(20b)의 외주는, 산화알루미늄과 같은 유전체의 부재(33)로 덮여 있다. 기판 지지부(18)의 외주는, 산화알루미늄과 같은 유전체의 부재(34)로 덮여 있다. 샤워 헤드(20)에 고주파의 전력을 인가하지 않을 경우, 유전체의 부재(33)는 없어도 된다. 단, 기판 지지부(18)의 대향 전극으로서 기능시킬 샤워 헤드(20)의 영역을 확정하기 위해서 유전체의 부재(33)는 배치하는 게 좋다. 또한, 전극의 애노드 및 캐소드 비를 가능한 한 균등하게 하기 위해서도 유전체의 부재(33)는 배치하는 게 좋다.
기판 지지부(18)에는, 정합기(61)를 개재해서 고주파 전원(60)이 접속되어 있다. 정합기(61)는, 임피던스 정합 회로를 갖는다. 임피던스 정합 회로는, 고주파 전원(60)의 부하측의 임피던스를, 고주파 전원(60)의 출력 임피던스에 정합시키도록 구성된다. 고주파 전원(60)으로부터 공급되는 고주파의 주파수는, VHF 전원(50)으로부터 공급되는 VHF파의 주파수보다 낮고, 60MHz 이하의 주파수이다. 고주파의 주파수의 일례로서는, 산화막과 질화막의 다층막 성막 프로세스 등의 이온 에너지의 영향을 그다지 고려하지 않아도 되는 프로세스에서는 13.56MHz의 주파수이여도 된다.
[도입부]
이어서, 도 1과 함께, 도 2를 참조하여 도입부(2)의 구성에 대해서 설명한다. 도 2는, 도 1의 II-II선을 따라 절단한 단면도이다. 가스 공급관(22)은, 그 길이 방향의 일부에 있어서, 환상의 플랜지부(22f)를 포함하고 있다. 플랜지부(22f)는, 가스 공급관(22)의 다른 부분(22a)으로부터 직경 방향으로 돌출되어 있다.
플라스마 처리 장치(1)는, 전자파의 공급로(36)를 더 구비한다. 공급로(36)는, 도체(36c)를 포함하고 있다. 공급로(36)의 도체(36c)는, 가스 공급관(22)에 접속되어 있다. 구체적으로, 도체(36c)의 일단부는, 플랜지부(22f)에 접속되어 있다.
도체(36c)의 타단부는, 정합기(40)를 개재해서 VHF 전원(50)에 접속되어 있다. VHF 전원(50)은, 전자파의 발생기이다. 본 명세서에서는, VHF 전원(50)으로부터 출력되는 전자파로서 VHF파를 예로 들어 설명하지만, UHF파이여도 된다.
정합기(40)는, 임피던스 정합 회로를 갖는다. 임피던스 정합 회로는, VHF 전원(50)의 부하측의 임피던스를, VHF 전원(50)의 출력 임피던스에 정합시키도록 구성된다. 임피던스 정합 회로는, 가변 임피던스를 갖는다. 임피던스 정합 회로는, 예를 들어 π형의 회로일 수 있다.
전자파의 공급로(36)로부터 도입부(2)에 도입된 VHF파는, 하우징(46)의 내부의, 플랜지부(22f)의 상부의 공진기(31)에서 공진하고, 플랜지부(22f)의 하방의 제1 해리 공간(30b)에 높은 에너지 효율로 공급된다. 공진기(31)의 내부는, 유전체(31a)로 충전되어 있다. 유전체(31a)는, VHF파의 파장을 단축하기 위해서 마련되어 있다.
유전체(31a)는, 예를 들어 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE)으로 형성되어 있다. 유전체(31a)의 하단의 연직 방향에 있어서의 위치는, 플랜지부(22f)의 하면(22b)의 연직 방향에 있어서의 위치와 동일하여도 된다. 일 실시 형태에 있어서는, 도 1에 나타내는 바와 같이, 가스 공급관(22)과 커버 도체(44)와의 사이의 공간 가운데 플랜지부(22f)의 하면(22b)과 커버 도체(44)와의 사이의 영역이, 유전체(31a)로 매립되어 있어도 된다. 추가하여, 공진기(31)의 바로 아래 공간(30a)이 유전체(31a)로 매립되어 있어도 된다.
공진기(31) 내는 대기압이다. 플랜지부(22f)의 하방에는, 공진기(31)와 제1 해리 공간(30b)과의 사이를 칸막이하는 유전체의 구획판(32)이 마련되고, 구획판(32)과 공진기(31)와의 사이에 공간(30a)을 갖는다. 공간(30a)은 없어도 되고, 공간(30a)의 길이 방향의 길이를 보다 짧게 해도 된다. 이에 의해, 도입부(2)를 작게 할 수 있다. 구획판(32)은, 환상이며, 산화알루미늄 등의 유전체로 형성될 수 있다. 구획판(32) 아래는 제1 해리 공간(30b)으로 되어 있다. 제1 해리 공간(30b)은, 구획판(32)에 의해 칸막이되어 있고, 진공이다.
제1 해리 공간(30b)의 횡단면시 형상은 대략 원통 형상이며, 여기에서 생성되는 플라스마의 분포가 허용되는 범위에서의 요철이나 변형 등은 허용된다. 제1 해리 공간(30b)은, 공진기(31)의 외경과 거의 동일한 직경을 갖는다.
도 3의 화살표에 나타내는 바와 같이, VHF파는, 전자파의 공급로(36)로부터 공진기(31) 내를 전파하여, 공진기(31) 내에서 공진하고, 플랜지부(22f) 아래의 구획판(32)을 투과해서 제1 해리 공간(30b)까지 전파한다. 공진기(31) 내에서 공진한 VHF파는, 높은 에너지 효율로 제1 해리 공간(30b)에 공급되어, 가스 유로(29)로부터 공급된 제1 가스를 해리시킨다. 이에 의해, 제1 해리 공간(30b)에 있어서 제1 가스의 플라스마가 생성된다. VHF파를 샤워 헤드(20)에 직접 공급하여, 샤워 헤드(20) 내에서 가스를 해리시킨다면 플라스마가 불균일해지기 쉽다. 이에 대해, 제1 해리 공간(30b)을 플라스마 생성 공간으로 해서 제1 해리 공간(30b)에서 표면파 플라스마를 생성하고, 일반적인 RF의 고주파보다 높은 주파수의 VHF파의 파워에 의해, 제1 가스를 고해리시킨다.
이것에 의하면, 제1 해리 공간(30b)을 플라스마 생성 공간으로서 기능시켜, 샤워 헤드(20)에 공급되기 전의 단계에서 H 라디칼, N 라디칼 등의 제1 가스를 효율적으로 충분히 해리시킨 후, 해리한 제1 가스의 라디칼을 샤워 헤드(20)에 도입한다.
제2 해리 공간(30e)은, 제1 해리 공간(30b)에서 해리한 제1 가스와, 가스 공급관(22)에 통과되는 제2 가스를 합류시켜, 이들 가스의 플라스마를 생성하는 공간이다. 제2 해리 공간(30e)에서는, 고주파 전원(60)으로부터 공급되는 VHF파보다 주파수가 낮은 고주파의 전력에 의해 제1 가스 및 제 2 가스를 해리시킨다.
도입부(2)의 확대도를 도 3에 나타낸다. 제1 해리 공간(30b)의 대략 원통 형상의 직경(R)은, VHF파의 진공 중의 실효 파장을 λg로 했을 때에 λg/6보다 작다. 제1 해리 공간(30b)은, 가능한 한 작은 대략 원통 형상의 공간으로 하는 것이 바람직하다. 따라서, 제1 해리 공간(30b)의 대략 원통 형상의 직경(R)은, VHF파의 진공 중의 실효 파장을 λg로 했을 때에 λg/8보다 작은 것이 더욱 바람직하다.
통상의 진공 공간에서는, VHF파의 마디가 생기지 않도록 하기 위해서는, 대략 원통 형상의 직경(R)을 λg/2 이하로 할 필요가 있다. 이에 대해, VHF파는 플라스마 중에서는 통상의 진공 중의 실효 파장 λg의 1/3 정도로 단축된다. 제1 해리 공간(30b)은 플라스마 생성 공간이기 때문에, 제1 해리 공간(30b)에 있어서 직경 방향에 VHF파의 마디가 생기지 않도록 하기 위해서는, 대략 원통 형상의 직경(R)을 (λg/2)의 1/3, 즉, λg/6 보다 작게 한다. 이에 의해, 배 또는 마디의 영향을 없앤 뒤에 VHF파의 에너지를 효율적으로 전달할 수 있다.
제1 해리 공간(30b)을 전파하는 VHF파의 전계 강도가 높으면 쿨롱력이 작용하고, 가스가 쿨롱력에 구속되어, 가스의 확산이 저해된다. 따라서, 제1 해리 공간(30b)에 도달한 VHF파의 전계가, 가스의 확산에 영향을 미치지 않기 위해서, 제1 해리 공간(30b)의 하단(30b1)(도 3의 가상 선)으로부터 상단(구획판(32)의 하면)까지의 거리(G)는, 10mm 정도인 것이 바람직하다. 단, 10mm는 일례이며, 공급되는 VHF파, UHF파의 주파수에 의해 거리(G)의 적정값은 다르다. 이에 의해, 샤워 헤드(20)에의 가스의 확산이 저해되지 않고, 제1 해리 공간(30b)으로부터 샤워 헤드(20)에 제1 가스의 라디칼을 확산시켜 갈 수 있다.
제2 해리 공간(30e)인 샤워 헤드(20)와 기판 지지부(18)와의 갭은, 3mm 내지 30mm인 것이 바람직하다.
제1 가스의 라디칼 생성 효율을 높이기 위해서는 제1 가스의 해리를 촉진시키기 위해서 고주파 및 전자파의 주파수를 높게 하는 것을 생각할 수 있다. 그래서, 플라스마 처리 장치(1)는 VHF파를 사용하고, 일반적인 RF의 고주파보다 높은 주파수의 전자파에 의해 제1 가스의 해리를 촉진시킨다. 그러나, 주파수를 높게 하면 파장이 짧아지기 때문에, 챔버(10)의 사이즈와의 관계로부터 플라스마 생성 공간인 제1 해리 공간(30b)에 VHF파의 배 또는 마디가 존재하게 된다. 그렇게 하면, VHF파의 배 또는 마디에 의해 제1 해리 공간(30b)에 있어서 플라스마 분포에 농담이 나와버린다.
한편, 본 실시 형태에 관한 플라스마 처리 장치(1)에서는, 제1 단계의 플라스마 생성 공간인 제1 해리 공간(30b)의 직경(R)을 λg/6보다 작게 한다. 이에 의해, 제1 해리 공간(30b)에 있어서 VHF파의 배 및 마디가 생기지 않는다. 이에 의해, 제1 해리 공간(30b)에 있어서 생성된 제1 가스의 플라스마 분포에 농담이 생기지 않는다. 일례로서, 860MHz의 전자파의 경우, 전자파의 진공 공간에 있어서의 실효 파장(λg)이 360mm이므로, λg/6=60mm 이하인 것이 제1 해리 공간(30b)의 직경(R)의 조건이 된다.
이러한 구성에 의해, VHF파의 대역 이상의 전자파를 공급하고, 공진기(31)를 사용해서 효율적으로 제1 해리 공간(30b) 내에서 제1 가스를 해리시킨다. 이와 같이 하여 제1 실시 형태에 관한 플라스마 처리 장치(1)에 의하면, 샤워 헤드(20)에 공급하기 전의 도입부(2)의 제1 해리 공간(30b)에 있어서, 사전에 플라스마를 착화시켜, 제1 가스의 플라스마를 생성한다. 이때, 일반적인 RF의 고주파보다 주파수가 높은 VHF파의 전자파에 의해 제1 가스를 고해리시켜, 제1 가스의 라디칼을 효율적으로 생성한다.
도 1로 되돌아가, 제1 해리 공간(30b)은, 샤워 헤드(20)의 제1 확산실(30c)에 연통한다. 제1 해리 공간(30b)에서 생성된 제1 가스의 라디칼은, 샤워 헤드(20)의 제1 가스 구멍(20h)을 개재해서 프로세스 공간인 제2 해리 공간(30e)에 공급된다. 이 제1 가스 경로에 의해, 제1 가스의 라디칼을, 샤워 헤드(20)를 개재해서 기판(W)의 면 내에 균일하게 공급할 수 있다.
가스 공급관(22)으로부터 공급된 제2 가스는, 제2 확산실(30d)을 통해, 샤워 헤드(20)의 제2 가스 구멍(20i)을 개재해서 제2 해리 공간(30e)에 공급된다. 이 제2 가스 경로에 의해, 제2 가스를, 샤워 헤드(20)를 개재해서 기판(W)의 면 내에 균일하게 공급할 수 있다. 제1 가스 경로와 제2 가스 경로는 다른 가스 경로이기 때문에, 특히 ALD(atomic layer deposition)를 실행하는 경우, 가스 경로 내에서 처리 가스와 환원 가스가 합류하지 않고, 파티클이 나오기 어려운 구조로 되어 있다.
예를 들어 제2 가스로서 SiH4 가스를 사용하는 프로세스에서는, SiH3의 저해리 상태를 제2 해리 공간(30e)에서 생성하여, 기판(W) 위에 공급함으로써, 성막에 기여시키는 것이 바람직하고, SiH2 등의 고해리 상태에서 기판(W) 위에 공급되는 것은 바람직하지 않다. 따라서, 제2 해리 공간(30e)에서는, 주파수가 VHF파보다 낮은 고주파의 파워에 의해 제2 가스를 해리시킨다.
한편, 제1 가스인 환원 가스는 가능한 한 고해리의 상태에서 성막에 기여시키는 것이 바람직하다. 이에 대해, 제1 가스는 샤워 헤드(20)에 공급되기 전에, 제1 해리 공간(30b)에서 일반적인 RF의 고주파보다 주파수가 높은 VHF파에 의해 충분히 해리되어, 라디칼이 된 상태에서 제2 해리 공간(30e)에 공급된다. 특히, 제1 해리 공간(30b)은 도넛 상의 플라스마 생성 공간이며, 플라스마의 균일성을 담보하기 쉽다.
이렇게 플라스마 생성의 제1 단계에서는, 제1 해리 공간(30b)에 있어서 VHF파를 사용해서 제1 가스를 충분히 해리시켜, 생성되는 라디칼의 양을 증가시킨다. 플라스마 생성의 제2 단계에서는, 이미 해리시킨 제1 가스의 라디칼과 제2 가스를 제2 해리 공간(30e)에 공급하고, VHF파보다 낮은 주파수의 고주파를 사용해서 제2 가스가 고해리하는 것을 억제하면서, 제1 가스 및 제 2 가스의 플라스마에 의해 성막을 실행한다.
제1 단계에서 해리한 제1 가스의 단원자의 라디칼(예를 들어 N 라디칼)은, 제1 가스 경로에 통과되는 사이에 재결합해서 분자 가스(예를 들어 N2 가스) 또는 분자 라디칼(예를 들어 N2 라디칼)로 되는 것이 있다.
그러나, 제2 해리 공간(30e)에 공급되는 제1 가스의 상태는, 제1 단계에서 활성화 및/또는 해리시키고 있기 때문에, 재결합 여기 상태가 되어 있다. 즉, 제1 해리 공간(30b)에서는, VHF파보다 주파수가 낮은 고주파에서는 고해리하지 않는 제1 가스이여도, 제2 해리 공간(30e)에 공급될 때의 분자 가스 또는 라디칼의 상태는, VHF파보다 주파수가 낮은 고주파에서 다시 해리 가능한 상태로 되어 있다. 예를 들어, 제1 가스가 N2 분자인 경우, 한번 해리한 N2 분자는, 기저 상태보다 에너지 준위가 높은, 여기하고 있는 상태, 즉 재결합 여기 상태로 되어 있을 확률이 높고, 재해리하기 쉬운 상태이다. 따라서, 제1 가스가 재결합 여기 상태가 되어 있기 때문에, 일반적인 고주파인 13.56MHz, 27MHz 등의 고주파에 의해서도, VHF파에 의해 제1 가스의 플라스마를 생성한 경우와 동등한 제1 가스의 라디칼을 생성할 수 있다.
단, 제1 단계에서 해리시킨 제1 가스의 라디칼을, 재결합하지 않고 그대로 효율적으로 기판(W) 위에 도달시키는 것이 보다 바람직하다. 이것에 대해서는, 제1 가스를 주파수가 높은 VHF파로 해리시키는 것과, 제1 해리 공간(30b)과 샤워 헤드(20)와의 사이의 거리(S)(즉, 제1 확산실(30c)의 높이)를 작게하거나 하여 샤워 헤드(20)를 얇게 하는 것의 양쪽의 조건을 충족함으로써 달성할 수 있다. 이에 의해, 기판(W)에 도달하는 라디칼의 양을 증가시킬 수 있다.
H 라디칼, N 라디칼 등의 라디칼은 수명이 짧다. 제1 해리 공간(30b)에서 생성된 라디칼이 제2 해리 공간(30e)에 도달할 때까지의 거리가 길수록, 단 원자의 라디칼끼리가 충돌할 확률이 높아지고, H2, N2 등의 분자로 되돌아갈 확률이 높아진다. 한편, 단원자의 라디칼끼리가 충돌할 확률을 저하시키기 위해서, 제1 해리 공간(30b)에서 생성된 플라스마의 표면 깊이의 5 내지 10배의 위치에 샤워 헤드(20)의 제1 확산실(30c)의 저부의 저면이 위치하도록 거리(S)를 마련한다.
제1 해리 공간(30b)에서 생성된 플라스마의 표면 깊이로부터 5 내지 10배 이격되어 있는 위치에서는, 플라스마의 전계가 충분히 감쇠하고 있으므로, 가스의 확산 및 라디칼의 확산이 쿨롱력보다 상회하여, 확산이 충분히 행해진다. 따라서, 플라스마 처리 장치(1)에서는, VHF 이상의 대역의 전자파를 사용해도 제1 해리 공간(30b)의 플라스마 생성 공간의 전자파 분포의 영향을 받지 않고, 라디칼을 제2 해리 공간(30e)까지 도달시키기 쉬운 구조로 되어 있다.
플라스마의 표면 깊이는, (1) 주파수, (2) 전자 밀도, (3) 전자 및 중성입자의 충돌 주파수에 의해 값이 변화한다. 여기서, (3)의 전자 및 중성입자의 충돌 주파수에 대해서는 가스종 및 전자 온도에 의해 결정된다. 예를 들어, (2)의 전자 밀도가 1010(cm-3), (3)의 전자 및 중성입자의 충돌 주파수가 3.6×108(sec-1)에 있어서, 100MHz, 200MHz의 주파수의 고주파 또는 전자파를 인가했을 때, 표면 깊이는 각각 5.7mm, 4mm이 된다. 표면 깊이가 작아지면, 즉, 전자파의 주파수가 높아질수록 표면에 전류가 집중하게 된다.
표면 깊이(δ)는, (1) 식에 의해 산출된다.
표면 깊이(δ)= [2/ (ωμ0σdc)]1/2… (1)
여기서, ω는 전원 주파수, μ0는 진공의 투자율, σdc는 플라스마 도전율이다. 플라스마 도전율은 (2) 식에 의해 산출된다.
플라스마 도전율(σdc)=e2ne/(mνm)… (2)
여기에서 e는 소(素) 전하, ne는 전자 밀도, m은 전자의 질량, νm은 전자-중성입자의 충돌 주파수이다.
이상으로부터, 샤워 헤드(20) 내의 제1 확산실(30c)의 천장면과 저면과의 수직 방향의 거리(S)는, 표면 깊이(δ)의 10배 이내인 것이 바람직하고, 범위로서는 5 내지 10배가 보다 바람직하다. 이에 의해, 가스 및 라디칼의 확산을 쿨롱력에 의해 구속시키지 않고 제2 해리 공간(30e)에 도달하는 제1 가스의 라디칼 양을 증가시킬 수 있다.
이상에 의해, 플라스마 처리 장치(1)는, 사전의 플라스마 생성 공간인 제1 해리 공간(30b)으로부터 표면 깊이의 5 내지 10배 이격되어 있는 위치에 샤워 헤드(20)가 존재한다. 이 때문에, VHF 이상의 대역의 전자파를 사용해도 샤워 헤드(20) 내의 가스나 라디칼이 제1 해리 공간(30b)의 전자파의 분포 영향을 받지 않는 구조로 되어 있다.
또한, 샤워 헤드(20)의 제1 가스 구멍(20h) 및 제2 가스 구멍(20i)의 직경은 1mm 정도로 하는 것이 바람직하고, 이것 이하의 직경에서는, 제1 가스 구멍(20h) 및 제2 가스 구멍(20i) 내에서의 라디칼끼리의 충돌 빈도가 높아진다. 이에 의해, N 라디칼 또는 N2 라디칼이, 제2 해리 공간(30e)에 도달하기 전에 제1 가스의 N2 분자로 되돌아갈 확률을 저감시킬 수 있다. 이상에 의해, 플라스마 프로세스의 균일성의 향상을 도모할 수 있다.
이상 설명한 플라스마 처리 장치(1)에서는, 샤워 헤드(20)의 상류측에 플라스마 생성 공간으로서의 제1 해리 공간(30b)을 마련하고, 제1 해리 공간(30b)에 있어서 N2 가스 등의 제1 가스를 해리시켜, N의 단원자, N 라디칼 등을 생성한다. 생성된 라디칼 등은, 샤워 헤드(20)를 통해서 제2 해리 공간(30e)에 도달할 때에 일부는 라디칼에서 분자로 되돌아가고, 일부는 단원자 라디칼에서 분자 라디칼의 상태로 된다. 그러나, 제2 해리 공간(30e)에 도달한 제1 가스는 재결합 여기 상태에 있기 때문에, VHF파보다 주파수가 낮은 고주파의 에너지에 의해 분자 및 분자 라디칼을 단원자 라디칼로 재해리시킬 수 있다. 또한, 프로세스 가스인 제2 가스는, 제1 가스의 제1 가스 경로와는 다른 제2 가스 경로를 사용해서 샤워 헤드(20)를 통해서 제2 해리 공간(30e)에 공급된다. 공급된 제2 가스는, 제2 해리 공간(30e)에 있어서 VHF파보다 주파수가 낮은 고주파의 에너지에 의해 저해리 상태로 해리시킬 수 있다. 이에 의해 플라스마 프로세스의 균일성의 향상을 도모할 수 있다.
<제1 실시 형태의 변형예>
이어서, 제1 실시 형태에 관한 플라스마 처리 장치(1)의 변형예 1, 2에 대해서, 도 4 및 도 5를 참조하여 설명한다. 도 4는, 제1 실시 형태에 관한 플라스마 처리 장치(1)의 변형예 1을 도시하는 단면 사시도이다. 도 5는, 제1 실시 형태에 관한 플라스마 처리 장치(1)의 변형예 2를 도시하는 단면 사시도이다.
[제1 실시 형태의 변형예 1]
도 4에 나타내는 변형예 1의 플라스마 처리 장치(1)에서는, 샤워 헤드(20)에 고주파의 전력을 인가하고, 기판 지지부(18)는 접지 전위인 점에서, 도 1의 플라스마 처리 장치(1)와 다르다. 변형예 1에서는, 기판 지지부(18)에는, 고주파 전원(60)은 접속되지 않고, 접지에 접속되어 있다.
또한, 변형예 1의 플라스마 처리 장치(1)에서는, 챔버(10)의 상벽(14)의 상부에 중공 구조의 원반상 연결부(15)가 마련되어 있다. 도입부(2)는 연결부(15)를 관통하여, 상벽(14)에 고정되어 있다. 연결부(15)의 내부에는, 샤워 헤드(20)에 접촉하는 접속부(37)가 마련되어 있다.
고주파 전원(62)은, 정합기(63)를 개재해서 연결부(15)의 상부 커넥터(64)의 내부를 통해 접속부(37)를 개재해서 샤워 헤드(20)에 접속되어 있다. 이에 의해, 샤워 헤드(20)에는, 접속부(37)를 개재해서 VHF파보다 주파수가 낮은 고주파가 인가된다. 샤워 헤드(20)의 하면을 제외하는 외주는, 유전체의 부재(33)로 덮여 있다. 다른 구성에 대해서는, 도 1에 나타내는 플라스마 처리 장치(1)와 동일하다.
[제1 실시 형태의 변형예 2]
도 5에 나타내는 변형예 2의 플라스마 처리 장치(1)에서는, 샤워 헤드(20)와 기판 지지부(18)와의 양쪽에 고주파의 전력을 인가하는 점에서, 도 4의 변형예 1의 플라스마 처리 장치(1)와 다르다. 변형예 2에서는, 기판 지지부(18)에는, 정합기(61)를 개재해서 고주파 전원(60)이 접속되어 있다.
또한, 고주파 전원(62)은, 정합기(63) 및 접속부(37)를 개재해서 샤워 헤드(20)에 접속되어 있다. 이에 의해, 기판 지지부(18) 및 샤워 헤드(20)에는, VHF파보다 주파수가 낮은 고주파가 인가된다.
제1 실시 형태에 관한 플라스마 처리 장치(1)의 변형예 1, 2에 의해서도 제1 해리 공간(30b)에 있어서 사전에 제1 가스의 플라스마가 생성되어, 제1 가스의 라디칼이 재결합 여기 상태에서 제2 해리 공간(30e)에 도달한다. 이에 의해, 제2 해리 공간(30e)에 있어서 VHF파보다 주파수가 낮은 고주파에서도 제1 가스를 해리시킬 수 있으며, 또한, 제2 가스를 저해리시킬 수 있다. 이에 의해, 플라스마 프로세스의 균일성의 향상을 도모할 수 있다.
<제2 실시 형태>
[플라스마 처리 장치]
이어서, 제2 실시 형태에 관한 플라스마 처리 장치(1)에 대해서, 도 6 내지 도 8을 사용해서 설명한다. 도 6은, 제2 실시 형태에 관한 플라스마 처리 장치(1)의 일례를 도시하는 단면 모식도이다. 도 7은, 도 6의 III-III선을 따라 절단한 단면도이다. 도 8은, 제2 실시 형태에 관한 도입부(2)의 단면을 확대한 도이다.
제2 실시 형태에 관한 플라스마 처리 장치(1)는, 도입부(2)의 구성이 제1 실시 형태에 관한 플라스마 처리 장치(1)와 다르고, 기타의 구성은 동일하다. 따라서, 이하에서는 도입부(2)의 구성에 대해서 설명한다.
본 실시 형태에 관한 도입부(2)에서는, VHF파를 전파시키는 공진기(31)의 내부는 진공이며, 제1 해리 공간으로서도 기능한다. 제2 실시 형태에서는, 도입부(2)의 내부 전체가 제1 해리 공간이다. 즉, 플랜지부(22f)의 상부의 공진기(31)의 내부 공간 및 플랜지부(22f)의 하부의 공간(30b)이 제1 해리 공간이며, 플라스마 생성 공간이 된다.
공진기(31)의 상단은, VHF파의 전계가 최소 또는 최소에 가까워지게 구성되고, 공진기(31)의 상단에 제1 가스를 공급하는 가스 공급관(35)을 마련한다. 가스 공급관(35)은, 가스 라인을 개재해서 제1 가스원(28)에 접속되어 있다. 공진기(31)의 상벽인 커버 도체(44)는 플라스마 착화시에 접지 전위(쇼트)가 되게 구성한다. 이에 의해, 공진기(31)의 상벽(커버 도체(44))에 있어서의 VHF파의 전계가 0 또는 최소가 되기 때문에, 제1 해리 공간의 상벽에 제1 가스의 공급구를 마련해도, 가스의 이상 방전을 방지할 수 있는 구성으로 되어 있다.
제1 해리 공간(공진기(31) 및 공간(30b))의 내부에는 안테나(25)가 존재하고, 안테나(25)에는 복수의 관통 구멍(38a)이 형성되어 있다. 안테나(25)에서는 전계가 높아지기 때문에, 플랜지부(22f)의 표면을 산화알루미늄 등의 유전체(38)에 의해 피복하여, 안테나(25)를 보호하고, 금속 오염을 방지하게 구성되어 있다.
도 6의 III-III선을 따라 절단한 단면을 나타내는 도 7 및 도 6의 도입부(2)의 확대도인 도 8을 참조하면, 안테나(25)의 외주와, 도입부(2)의 내벽(제1 해리 공간(공진기(31) 및 공간(30b))의 내면)과의 사이에 간극(D)을 갖는다.
또한 안테나(25)(플랜지부(22f))의 둘레의 간극(D)만으로는 제1 가스를 통류시킬 때의 컨덕턴스가 충분하지 않기 때문에, 안테나(25)의 내부에 관통 구멍(38a)을 갖고 있다. 복수의 관통 구멍(38a)은, 안테나(25)의 외주보다 내측에 형성되고, 유전체(38)와 플랜지부(22f)를 관통하고 있다. 복수의 관통 구멍(38a)은, 축선(AX)에 대하여 점대칭의 위치에 마련된다. 복수의 관통 구멍(38a)은, 원주 방향으로 균등하게 배치되어 있다.
간극(D) 및 복수의 관통 구멍(38a)은, 제1 가스 및 제1 가스의 라디칼을 통과시키고, 확산시킴과 함께, VHF파의 전자파 방사 특성 및 공진 특성을 관리하기 위해서 마련된다. 복수의 관통 구멍(38a)에 노출되는 플랜지부(22f)는 접지 전위이며, 이온이나 전자를 포획하고, 라디칼을 통과시키게 구성되어 있다.
관통 구멍(38a)의 직경은, 진공 공간에 있어서의 자유 공간의 파장을 λ0로 해서, λ0/50 정도의 치수를 갖는다. 복수의 관통 구멍(38a)의 구멍의 합계 면적은, 안테나(25)의 플랜지부(22f)의 수평 방향(챔버(10)의 중심 축선에 대하여 수직인 방향)의 면의 면적에 대하여 1/2 이하로 되도록 형성되어 있다. 또한, 복수의 관통 구멍(38a)을 플랜지부(22f)의 외주에 관계되지 않도록 배치한다. 이에 의해, 플랜지부(22f)의 외주를 원주상으로 형성하고, VHF파의 방사 특성을 양호하게 관리 할 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이 제2 실시 형태에 관한 플라스마 처리 장치(1)에 의하면, 제1 실시 형태에 관한 플라스마 처리 장치(1)와 마찬가지로 플라스마 프로세스의 균일성의 향상을 도모할 수 있다. 샤워 헤드(20)의 상류측에 플라스마 생성 공간으로서의 제1 해리 공간(공진기(31) 및 공간(30b))을 마련하고, 제1 해리 공간에 있어서 제1 가스를 해리시켜, 제1 가스의 라디칼을 생성한다. 생성된 라디칼은, 샤워 헤드(20)를 통해서 제2 해리 공간(30e)에 도달할 때에 일부는 분자로 되돌아가고, 일부는 분자 라디칼의 상태로 된다. 그러나, 제2 해리 공간(30e)에 도달한 제1 가스는 재결합 여기 상태에 있기 때문에, VHF파보다 주파수가 낮은 고주파의 에너지에 의해 분자 및 분자 라디칼을 단원자 라디칼로 재해리시킬 수 있다. 또한, 프로세스 가스 등은, 제1 가스의 제1 가스 경로와는 다른 제2 가스 경로를 사용해서 샤워 헤드(20)를 통해서 제2 해리 공간(30e)에 공급된다. 제2 가스는, 제2 해리 공간(30e)에 있어서 VHF파보다 낮은 고주파의 에너지에 의해 저해리 상태까지 해리시킨다. 이에 의해 플라스마 프로세스의 균일성의 향상을 도모할 수 있다.
또한, 제2 실시 형태에 관한 플라스마 처리 장치(1)에서는, 제1 가스를 제1 해리 공간의 상단에서 공급하기 때문에, 제1 가스의 공급구로부터 샤워 헤드(20)까지의 거리를 길게 할 수 있고, 제1 가스의 라디칼을 보다 확산시키기 쉽다고 하는 이점이 있다.
<제2 실시 형태의 변형예>
이어서, 제2 실시 형태에 관한 플라스마 처리 장치(1)의 변형예 1, 2에 대해서, 도 9 및 도 10을 참조하여 설명한다. 도 9는, 제2 실시 형태에 관한 플라스마 처리 장치(1)의 변형예 1을 도시하는 단면 사시도이다. 도 10은, 제2 실시 형태에 관한 플라스마 처리 장치(1)의 변형예 2를 도시하는 단면 사시도이다.
[제2 실시 형태의 변형예 1]
도 9에 나타내는 변형예 1의 플라스마 처리 장치(1)에서는, 샤워 헤드(20)에 고주파의 전력을 인가하고, 기판 지지부(18)는 접지 전위인 점에서, 도 6의 플라스마 처리 장치(1)와 다르다. 변형예 1에서는, 기판 지지부(18)에는, 고주파 전원(60)은 접속되지 않고, 접지에 접속되어 있다.
또한, 변형예 1의 플라스마 처리 장치(1)에서는, 챔버(10)의 상벽(14)의 상부에 중공 구조의 원반상 연결부(15)가 마련되어 있다. 도입부(2)는 연결부(15)를 관통하여, 상벽(14)에 고정되어 있다. 연결부(15)의 내부에는, 샤워 헤드(20)에 접촉하는 접속부(37)가 마련되어 있다.
고주파 전원(62)은, 정합기(63)를 개재해서 연결부(15)의 상부 커넥터(64)의 내부를 통해 접속부(37)를 개재해서 샤워 헤드(20)에 접속되어 있다. 이에 의해, 샤워 헤드(20)에는, 접속부(37)를 개재해서 VHF파보다 주파수가 낮은 고주파가 인가된다. 샤워 헤드(20)의 하면을 제외하는 외주는, 유전체의 부재(33)로 덮여 있다. 다른 구성에 대해서는, 도 6에 나타내는 플라스마 처리 장치(1)와 동일하다.
[제2 실시 형태의 변형예 2]
도 10에 나타내는 변형예 2의 플라스마 처리 장치(1)에서는, 샤워 헤드(20)와 기판 지지부(18)의 양쪽에 고주파의 전력을 인가하는 점에서, 도 9의 변형예 1의 플라스마 처리 장치(1)와 다르다. 변형예 2에서는, 기판 지지부(18)에는, 정합기(61)를 개재해서 고주파 전원(60)이 접속되어 있다.
또한, 고주파 전원(62)은, 정합기(63) 및 접속부(37)를 개재해서 샤워 헤드(20)에 접속되어 있다. 이에 의해, 기판 지지부(18) 및 샤워 헤드(20)에는, VHF파보다 주파수가 낮은 고주파가 인가된다.
제2 실시 형태에 관한 플라스마 처리 장치(1)의 변형예 1, 2에 의해서도 제1 해리 공간(공진기(31) 및 공간(30b))에 있어서 사전에 제1 가스의 플라스마가 생성되어, 제1 가스의 라디칼이 재결합 여기 상태로 제2 해리 공간(30e)에 도달한다. 이에 의해, 제2 해리 공간(30e)에 있어서 VHF파보다 주파수가 낮은 고주파에서도 제1 가스를 해리시킬 수 있으며, 또한, 제2 가스를 저해리시킬 수 있다. 이에 의해, 플라스마 프로세스의 균일성의 향상을 도모할 수 있다.
이상, 제1 및 제 2 실시 형태에 관한 플라스마 처리 장치(1) 및 그들의 변형예에 대해서 설명한, 제1 및 제 2 실시 형태에 관한 플라스마 처리 장치(1) 및 그들의 변형예는, ALD 장치로서 기능시킬 수 있다. ALD의 프로세스에서는, 제1 가스 및 제 2 가스를 교대로 공급하고, 샤워 헤드(20)의 내부나 그 상류에 존재하는 제1 가스 및 제 2 가스를, 각각의 온·오프의 타이밍에서 치환할 필요가 있다. 즉, 프로세스 공간(제2 해리 공간(30e)) 뿐만 아니라, 샤워 헤드(20)의 내부, 샤워 헤드(20)의 상류에 존재하는 도입부(2) 및 가스 공급관 내 등, 가스를 치환해야 할 범위는 넓다. 그러나, 제1 및 제 2 실시 형태에 관한 플라스마 처리 장치(1) 및 그들의 변형예에서는, 프로세스 공간(제2 해리 공간(30e))의 갭이, 3 내지 30mm 정도로 좁다. 이에 반해, CVD 장치의 경우, 샤워 헤드(20)와 기판 지지부(18)와의 프로세스 공간의 갭은, 30mm 정도로 넓다.
이상으로부터, 제1 및 제 2 실시 형태에 관한 플라스마 처리 장치(1) 및 그들의 변형예를 ALD 장치로서 사용하는 경우, 프로세스 공간이 좁기 때문에, 가스의 치환을 빠르게 행할 수 있다. 추가하여, 제1 및 제 2 실시 형태에 관한 플라스마 처리 장치(1) 및 그들의 변형예는, 제1 해리 공간, 샤워 헤드(20) 내의 확산 공간 (제1 확산실(30c), 제2 확산실(30d))도 좁아, 장치 전체도 소형화할 수 있다. 또한, VHF 이상의 주파수를 사용해서 제1 가스를 해리시키면서, 샤워 헤드(20)를 개재해서 균일하게 제1 가스를 프로세스 공간(제2 해리 공간(30e))에 공급하도록 하고 있다. 이에 의해, VHF파 이상의 주파수를 사용한 경우에 특히 현재화해 오는 전자파의 배 또는 마디에 기인하는 불균일성에는 영향받지 않고, 갭이 짧은 프로세스 공간을 실현할 수 있다. 이에 의해, 가스의 치환을 빠르게 행할 수 있고, 스루풋을 높이고, 또한, 플라스마 프로세스의 균일성의 향상을 도모할 수 있다.
금회 개시된 실시 형태에 관한 플라스마 처리 장치는, 모든 점에 있어서 예시이며 제한적인 것은 아니라고 생각되어야 한다. 실시 형태는, 첨부의 청구범위 및 그 주지를 일탈하지 않고, 다양한 형태로 변형 및 개량이 가능하다. 상기 복수의 실시 형태에 기재된 사항은, 모순되지 않는 범위에서 다른 구성도 취할 수 있고, 또한, 모순하지 않는 범위에서 조합할 수 있다.
또한, 제1 해리 공간에서는 가스의 해리에 고에너지의 전자를 필요로 하고, VHF대 이상의 주파수를 사용하는 것이 바람직하다. 또한, 제1 해리 공간은 제2 해리 공간의 프로세스 공간과 가능한 한 가까운 것이 바람직하다. 구조에 대해서는, 제1 해리 공간을 갖는 도입부(2)에 있어서의 프리-액티베이션(Pre-activation) 기능(성막에 기여)과 리모트 클리닝 기능은, 오염 및 파티클의 관점에서 별도의 공급부로 하는 편이 좋다. 즉, 실시 형태에 관한 플라스마 처리 장치에서는, 도입부(2)에 있어서의 환원 가스의 공급부와 클리닝 가스의 공급부는 별도의 계통으로 되어 있기 때문에, 오염 및 파티클의 발생을 억제할 수 있다. RF 단독으로는 해리가 어려운 N2 가스 등의 고결합 에너지의 분자 가스를 제1 해리 공간에서의 프리-액티베이션 기능에 의해 해리시키고 나서 제2 해리 공간에 보내주고, 제2 해리 공간에 있어서 RF의 고주파를 인가함으로써 고결합 에너지의 분자 가스의 해리를 가능하게 하고 있다.
본원은, 일본 특허청에 2020년 12월 21일에 출원된 기초 출원 제2020-211851호의 우선권을 주장하는 것이며, 그 전체 내용을 참조에 의해 여기에 원용한다.
1: 플라스마 처리 장치
2: 도입부
10: 챔버
18: 기판 지지부
20: 샤워 헤드
22: 가스 공급관
22f: 플랜지부
25: 안테나
30b: 제1 해리 공간
30c: 제1 확산실
30d: 제2 확산실
30e: 제2 해리 공간
31: 공진기
32: 구획판
36: 공급로
36c: 도체
50: VHF 전원

Claims (18)

  1. 챔버와,
    상기 챔버의 내부에 마련되고, 처리 대상의 기판이 설치되는 기판 지지부와,
    금속으로 형성되어, 상기 챔버의 내부 공간을 향해서 개구된 복수의 가스 구멍을 제공하고, 상기 기판 지지부의 상방에 마련된 샤워 헤드와,
    금속으로 형성되어, 상기 챔버의 상방에서 연직 방향으로 연장되어, 상기 샤워 헤드의 상부 중앙에 접속된 가스 공급관과,
    상기 챔버의 상방에서 상기 가스 공급관이 관통하고, VHF파 이상의 전자파를 도입하여, 가스를 활성화시키도록 구성된 도입부와,
    상기 가스 공급관에 접속된 전자파의 공급로
    를 구비하고,
    상기 도입부는, 상기 샤워 헤드의 상류측에 배치되어, 제1 가스를 공급하고, 상기 전자파에 의해 상기 제1 가스를 해리시키는 제1 해리 공간을 갖고,
    상기 챔버는, 상기 기판 지지부와 상기 샤워 헤드와의 사이의 프로세스 공간이며, 상기 제1 해리 공간에서 해리한 상기 제1 가스와 상기 가스 공급관으로부터의 제2 가스를 상기 샤워 헤드의 하류측에서 합류시켜, 상기 전자파보다 주파수가 낮은 고주파에 의해 상기 제1 가스 및 상기 제2 가스를 해리시키는 제2 해리 공간을 갖고,
    상기 제1 해리 공간의 단면으로 보아 형상은 대략 원통 형상이며,
    상기 제1 해리 공간의 상기 대략 원통 형상의 직경은, 전자파의 진공 중의 실효 파장을 λg로 했을 때에 λg/6보다 작은,
    플라스마 처리 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 해리 공간은,
    상기 전자파를 전송하기 위한 공진기 내부 및/또는 상기 공진기보다 상기 샤워 헤드측에 마련되어 있는,
    플라스마 처리 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 가스 공급관은, 상기 공진기 내를 관통하고 있고, 상기 제2 가스를 공급하는 배관 또는 리모트 플라스마용의 배관으로서 기능하는, 플라스마 처리 장치.
  4. 제2항 또는 제3항에 있어서,
    상기 제1 해리 공간은, 상기 공진기와 상기 샤워 헤드와의 사이에 마련되고,
    상기 도입부는, 상기 공진기와 상기 제1 해리 공간과의 사이를 칸막이하는 유전체의 구획판을 갖는, 플라스마 처리 장치.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 샤워 헤드 내의 제1 확산실의 천장면과 저면과의 수직 방향의 거리는, 표면 깊이의 10배 이내인, 플라스마 처리 장치.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 해리 공간에서는, 상기 제1 가스인 환원 가스가 해리되는, 플라스마 처리 장치.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제2 해리 공간을 형성하는 상기 샤워 헤드와 상기 기판 지지부와의 갭은, 3mm 내지 30mm인, 플라스마 처리 장치.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 해리 공간으로부터 상기 샤워 헤드의 제1 가스 구멍을 개재해서 상기 제2 해리 공간에 상기 제1 가스를 공급하는 경로와, 상기 가스 공급관으로부터 상기 샤워 헤드의 제2 가스 구멍을 개재해서 상기 제2 해리 공간에 상기 제2 가스를 공급하는 경로는 별도의 경로인, 플라스마 처리 장치.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 샤워 헤드 및 상기 기판 지지부의 적어도 어느 것에 고주파의 전력을 인가하는, 플라스마 처리 장치.
  10. 제2항에 있어서,
    상기 공진기의 내부는, 대기압이고, 상기 제1 해리 공간은, 진공압이며,
    상기 제1 해리 공간은, 상기 공진기보다 상기 샤워 헤드측에 마련되고, 플라스마를 생성하기 위한 공간인, 플라스마 처리 장치.
  11. 제2항 내지 제4항 및 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 공진기에는, 유전체가 매립되어 있는, 플라스마 처리 장치.
  12. 제2항에 있어서,
    상기 공진기의 내부는 진공압이며, 플라스마를 생성하기 위한 상기 제1 해리 공간인, 플라스마 처리 장치.
  13. 제1항 내지 제3항, 제5항 내지 제9항 및 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 해리 공간의 내부에는 안테나가 존재하고,
    상기 안테나에는 복수의 관통 구멍이 형성되어 있는, 플라스마 처리 장치.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 안테나는, 플랜지부를 갖고,
    복수의 상기 관통 구멍은, 플랜지부에 형성되고,
    복수의 상기 관통 구멍의 구멍 합계 면적은, 상기 챔버의 중심 축선에 대하여 수직인 방향인 상기 플랜지부의 수평 방향 면의 면적에 대하여 1/2 이하로 되도록 형성되는, 플라스마 처리 장치.
  15. 제14항에 있어서,
    복수의 상기 관통 구멍은, 상기 플랜지부의 외주보다 내측에 형성되는, 플라스마 처리 장치.
  16. 제14항 또는 제15항에 있어서,
    상기 플랜지부의 외주와, 상기 도입부의 내벽과의 사이에, 간극을 갖는 플라스마 처리 장치.
  17. 제2항, 제3항 및 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 공진기의 상벽은, 상기 전자파의 전계가 최소 또는 최소에 가까워지게 구성되고,
    상기 공진기의 상벽에 상기 제1 가스를 공급하는 가스 공급관을 마련하는, 플라스마 처리 장치.
  18. 제1항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 샤워 헤드 및 상기 기판 지지부의 외주는, 유전체의 부재로 덮혀 있는, 플라스마 처리 장치.
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