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KR20240155342A - 플라즈마 처리 장치 및 플라즈마 처리 방법 - Google Patents

플라즈마 처리 장치 및 플라즈마 처리 방법 Download PDF

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KR20240155342A
KR20240155342A KR1020247033243A KR20247033243A KR20240155342A KR 20240155342 A KR20240155342 A KR 20240155342A KR 1020247033243 A KR1020247033243 A KR 1020247033243A KR 20247033243 A KR20247033243 A KR 20247033243A KR 20240155342 A KR20240155342 A KR 20240155342A
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KR
South Korea
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plasma
electrode
space
gas
processing
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KR1020247033243A
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Inventor
마사키 히라야마
Original Assignee
도쿄엘렉트론가부시키가이샤
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Publication date
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Abstract

플라즈마 처리 장치는, 기판이 배치되는 처리 공간을 갖는 처리 용기와, 서로 대향하여 마련되며, 평행 평판 전극으로서 구성되는 제1 전극 및 제2 전극을 갖고, 이들 사이에 플라즈마 생성 공간이 형성되는 플라즈마 생성부와, 제1 전극과 제2 전극 사이에 고주파 전계를 형성하는 고주파 전원과, 플라즈마 생성 공간에 플라즈마를 생성하기 위한 처리 가스를 공급하는 가스 공급부와, 플라즈마 생성 공간에 생성된 플라즈마를 처리 공간에 도입하는 플라즈마 도입부와, 제1 전극과 제2 전극 사이에, 이들을 열적으로 접속하도록 마련된, 절연체를 포함하는 전열 부재를 갖고, 처리 공간에 도입된 플라즈마에 의해 기판에 플라즈마 처리가 실시된다.

Description

플라즈마 처리 장치 및 플라즈마 처리 방법
본 개시는 플라즈마 처리 장치 및 플라즈마 처리 방법에 관한 것이다.
반도체 디바이스의 제조 공정에서는, 기판인 반도체 웨이퍼에 대하여 플라즈마 처리를 행하는 플라즈마 처리 장치가 이용되고 있다. 특허문헌 1에는, 처리 용기를 피처리체가 배치되는 반응실과 플라즈마 생성실로 칸막이하고, 상부 전극에 고주파 전력을 인가하여 플라즈마 생성실에서 플라즈마를 생성하고, 플라즈마 중의 활성종을 반응실에 유도하여 플라즈마 처리하는 리모트 타입의 플라즈마 처리 장치가 개시되어 있다.
특허문헌 1: 일본 특허 공개 제2020-155387호 공보
본 개시는 플라즈마 생성부에서 전극에 고주파 전력을 공급하여 플라즈마를 생성하고, 플라즈마를 기판에 유도하여 플라즈마 처리할 때에, 균일한 플라즈마 처리를 행할 수 있는 플라즈마 처리 장치 및 플라즈마 처리 방법을 제공한다.
본 개시의 일양태에 따른 플라즈마 처리 장치는, 기판이 배치되는 처리 공간을 갖는 처리 용기와, 서로 대향하여 마련되며, 평행 평판 전극으로서 구성되는 제1 전극 및 제2 전극을 갖고, 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 사이에 플라즈마 생성 공간이 형성되는 플라즈마 생성부와, 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 고주파 전계를 형성하는 고주파 전력 공급 수단과, 상기 플라즈마 생성 공간에 플라즈마를 생성하기 위한 처리 가스를 공급하는 가스 공급부와, 상기 플라즈마 생성 공간에 생성된 플라즈마를 상기 처리 공간에 도입하는 플라즈마 도입부와, 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에, 이들을 열적으로 접속하도록 마련된, 절연체를 포함하는 전열 부재를 갖고, 상기 처리 공간에 도입된 플라즈마에 의해 상기 기판에 플라즈마 처리가 실시된다.
본 개시에 따르면, 플라즈마 생성부에서 전극에 고주파 전력을 공급하여 플라즈마를 생성하고, 플라즈마를 기판에 유도하여 플라즈마 처리할 때에, 균일한 플라즈마 처리를 행할 수 있는 플라즈마 처리 장치 및 플라즈마 처리 방법이 제공된다.
도 1은 제1 실시형태에 따른 플라즈마 처리 장치를 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 2는 도 1의 플라즈마 처리 장치의 중요부를 상세하게 나타내는 단면도이다.
도 3은 제2 실시형태에 따른 플라즈마 처리 장치의 중요부를 나타내는 단면도이다.
도 4는 제3 실시형태에 따른 플라즈마 처리 장치의 중요부를 나타내는 단면도이다.
도 5는 제4 실시형태에 따른 플라즈마 처리 장치의 중요부를 나타내는 단면도이다.
이하, 첨부 도면을 참조하여 실시형태에 대해서 설명한다.
<제1 실시형태>
먼저 제1 실시형태에 대해서 설명한다.
도 1은 제1 실시형태에 따른 플라즈마 처리 장치를 개략적으로 나타내는 단면도이고, 도 2는 그 중요부를 상세하게 나타내는 단면도이다.
본 실시형태의 플라즈마 처리 장치(100)는, 기판(W)에 대하여 플라즈마 처리를 행하는 것이다. 플라즈마 처리는 특별히 한정되지 않지만, CVD나 ALD 등의 성막 처리가 예시된다.
플라즈마 처리 장치(100)는, 대략 원통형을 이루며, 금속, 예컨대 표면이 양극 산화 처리된 알루미늄 등의 금속으로 구성된 처리 용기(10)를 갖고 있다. 처리 용기(10) 내는, 하부 공간(11)과 상부 공간(12)으로 나뉘어 있고, 하부 공간(11)이 처리 공간으로서 기능한다. 또한, 플라즈마 처리 장치(100)는, 플라즈마 생성부(30)를 갖고 있다.
하부 공간(11) 내에는 기판(W)을 배치하는 스테이지(20)가 마련되어 있다. 스테이지(20)는 지지 부재(21)에 지지되어 있다. 지지 부재(21)는 처리 용기(10)의 바닥벽을 관통하여 하방으로 연장되며, 승강 기구(도시하지 않음)에 의해 승강 가능하게 되어 있다. 지지 부재(21)와 처리 용기(10)의 바닥벽 사이에는 시일 기구(도시하지 않음)가 마련되어 있다. 스테이지(20) 및 지지 부재(21)는, 예컨대, 금속, 예컨대 표면이 양극 산화 처리된 알루미늄 등의 금속으로 구성되어 있다. 스테이지(20)에는, 기판(W)을 반송하기 위해 스테이지(20)의 표면에 대하여 돌출하거나 함몰하도록 승강하는 승강 핀(도시하지 않음)이 마련되어 있다. 또한, 스테이지(20)에는, 기판(W)을 정전 흡착하기 위한 정전 척, 및 히터 등의 온도 조절 기구가 마련되어 있어도 좋다.
처리 용기(10)의 바닥부에는, 배기구(22)가 형성되어 있고, 배기구(22)에는 배기관(23)이 접속되어 있다. 배기관(23)에는 진공 펌프나 압력 제어 밸브 등을 포함하는 배기 장치(24)가 접속되어 있다. 그리고, 이 배기 장치(24)를 작동시킴으로써, 처리 공간인 하부 공간(11)이 배기되고, 하부 공간(11)이 소정의 진공도로 유지되도록 되어 있다. 또한, 처리 용기(10)의 측벽에는, 기판(W)의 반입출을 행하기 위한 반입출구(25)가 형성되어 있고, 이 반입출구(25)는 게이트 밸브(26)에 의해 개폐 가능하게 되어 있다.
플라즈마 생성부(30)는, 상부 공간(12)에 마련되어 있고, 하부 전극으로서의 하부 샤워 플레이트(41)와, 상부 전극으로서의 상부 샤워 플레이트(42)와, 상부 샤워 플레이트(42) 상에 마련된 밀봉판(43)을 갖고, 샤워 헤드로서 구성된다. 하부 전극으로서의 하부 샤워 플레이트(41)와 상부 전극으로서의 상부 샤워 플레이트(42)는 평행 평판 전극을 구성하고, 이들 사이의 공간은 플라즈마 생성 공간(45)이 된다.
하부 샤워 플레이트(41) 및 상부 샤워 플레이트(42)는, 알루미늄 합금, 티탄, 스테인레스강 등의 금속으로 구성되며, 원판형을 이루고, 외주부에 마련된 절연링(44)을 통해 간격을 두고 적층되어 있다. 절연링(44)은, 알루미나, 석영, 이트리아, 테플론(등록상표) 등의 절연체로 구성되어 있고, 절연링(44)과 하부 샤워 플레이트(41) 사이, 및 상부 샤워 플레이트(42) 사이는, 시일링(O링)과 같은 밀봉 부재에 의해 밀봉되어 있다.
하부 샤워 플레이트(41)에는 상하로 관통하는 복수의 가스 구멍(41a)이 형성되고, 상부 샤워 플레이트(42)에는 상하로 관통하는 복수의 가스 구멍(42a)이 형성되어 있다. 하부 샤워 플레이트(41) 및 상부 샤워 플레이트(42)의 간격, 즉 평행 평판 전극의 간격(전극 간격)은, 후술하는 바와 같이, 주파수에 따라 준TEM파가 얻어지도록 설정되어도 좋다.
하부 샤워 플레이트(41)는, 처리 용기(10) 내를 하부 공간(11)과 상부 공간(12)으로 나누는 기능을 갖고 있고, 처리 용기(10)의 측벽에 부착되어 있다. 하부 샤워 플레이트(41)의 하면과 처리 용기(10)의 측벽 사이는 시일링(O링)과 같은 밀봉 부재에 의해 밀봉되어 있고, 처리 공간인 하부 공간(11) 내가 기밀하게 유지된다.
밀봉판(43)은, 알루미늄 합금, 티탄, 스테인레스강 등의 금속으로 구성되며, 상부 샤워 플레이트(42)를 밀봉하고, 대기분 위기와 진공 분위기를 구획하는 기능을 갖는다. 밀봉판(43)의 바깥 가장자리부는 하방으로 돌출하고 있고, 밀봉판(43)의 바깥 가장자리부와 상부 샤워 플레이트(42) 사이는 시일링(O링)과 같은 밀봉 부재에 의해 밀봉되어 있다. 밀봉판(43)과 상부 샤워 플레이트(42) 사이의 공간은, 가스 확산 공간(46)으로 되어 있다.
플라즈마 처리 장치(100)는, 또한, 고주파 전원(50) 및 가스 공급부(60)를 갖고 있다.
고주파 전원(50)은, 하부 전극인 하부 샤워 플레이트(41)와 상부 전극인 상부 샤워 플레이트(42) 사이에 고주파 전계를 형성하는 것이다. 고주파 전원(50)으로부터 연장되는 급전선(52)은, 처리 용기(10)의 천장벽(10a)에 마련된 고주파 도입부(27)를 거쳐 밀봉판(43)에 접속되어 있다. 급전선(52)에는 정합기(51)가 개재되어 있다. 고주파 전원(50)으로부터의 고주파는, 밀봉판(43)을 거쳐 상부 전극인 상부 샤워 플레이트(42)에 인가되고, 평행 평판 전극을 구성하는 하부 샤워 플레이트(41)와 상부 샤워 플레이트(42) 사이의 플라즈마 생성 공간(45)에 고주파 전계가 형성된다. 고주파 전원(50)의 주파수는 플라즈마를 생성할 수 있으면 특별히 한정은 없지만, VHF∼UHF대(수백 ㎑∼수백 ㎒의 범위)가 적합하다. 처리 용기(10)의 천장벽과 밀봉판(43) 사이의 급전선(52)의 주위의 공간은 고주파 전파부(53)로 되어 있다.
가스 공급부(60)는, 플라즈마 처리를 행하기 위한 처리 가스, 조압(調壓)이나 퍼지를 위한 불활성 가스 등을 공급한다. 플라즈마 처리가 CVD나 ALD 등의 성막 처리인 경우, 처리 가스로서, 성막 원료 가스와 반응 가스가 이용된다. 성막 원료 가스의 열분해 반응으로 성막되는 경우에는, 처리 가스로서 성막 원료 가스만을 공급하여도 좋다. 가스 공급부(60)로부터 가스 공급 배관(61)이 연장되어 있고, 가스 공급 배관(61)은 가스 도입로(62)에 접속되어 있다. 가스 도입로(62)는, 처리 용기(10)의 천장벽(10a), 천장벽(10a)과 밀봉판(43) 사이에 마련된 스페이서(63), 및 밀봉판(43)을 거쳐 가스 확산 공간(46)에 접속되어 있다. 따라서, 가스 공급부(60)로부터 공급된 처리 가스는, 가스 공급 배관(61), 가스 도입로(62), 가스 확산 공간(46), 가스 구멍(42a)을 거쳐 플라즈마 생성 공간(45)에 이른다. 그리고, 상부 샤워 플레이트(42)와 하부 샤워 플레이트(41) 사이에 형성된 고주파 전계에 의해 플라즈마 생성 공간(45)에 용량 결합 플라즈마가 생성된다. 플라즈마 생성 공간(45)에서 생성된 플라즈마는, 활성종이나 하전 입자로 구성되고, 가스 구멍(41a)으로부터 활성종만, 혹은 활성종과 하전 입자가 처리 공간인 하부 공간(11)에 도입된다. 즉, 가스 구멍(41a)은, 플라즈마 생성 공간(45)의 활성종만, 혹은 활성종과 하전 입자를 처리 공간인 하부 공간(11)에 도입하는 플라즈마 도입부로서 기능한다.
상부 샤워 플레이트(42)와 하부 샤워 플레이트(41) 사이에는, 이들을 열적으로 접속하도록 절연체로 구성된 하부 전열 부재(71)가 마련되어 있다. 도 1의 예에서는 하부 전열 부재(71)는 복수(예컨대 6개) 마련되어 있다. 복수의 하부 전열 부재(71)는, 적합하게는 축대칭의 위치에 마련할 수 있다. 하부 전열 부재(71)는 예컨대 중앙에 1개 마련되어 있어도 좋다. 하부 전열 부재(71)는, 플라즈마로부터 하부 샤워 플레이트(41)에 미친 열을 전열에 의해 빼내는 기능을 갖는다.
하부 샤워 플레이트(41)와 상부 샤워 플레이트(42) 사이에는 용량 결합 플라즈마가 생성되기 때문에, 하부 전열 부재(71)는 절연체일 필요가 있다. 하부 전열 부재(71)를 구성하는 절연체로서는, 전열에 의해 유효하게 열을 빼내는 것이 가능하도록, 열전도율이 높은 절연체를 이용할 수 있다. 이러한 열전도율이 높은 절연체로서는, 예컨대, 질화알루미늄(AlN), 알루미나(Al2O3), 탄화규소(SiC), 석영 유리, 이트리아(Y2O3) 등을 들 수 있다. 이들 중에서는 특히 열전도율이 높은 AlN을 적합하게 이용할 수 있다. 하부 전열 부재(71)를 구성하는 절연체로서는 수지여도 좋고, 예컨대, 폴리이미드, 폴리페닐렌설파이드, 폴리에테르에테르케톤과 같은 열전도율이 높은 수지를 이용할 수 있다. 하부 전열 부재(71)의 열전도율은, 사용 온도에 맞추어 선택하여도 좋고, 예컨대, 사용 온도가 20∼200℃의 범위에서 100 W/K·m 이상의 열전도율을 갖는 재료가 바람직하다. 이러한 높은 열전도율은, 전술한 AlN에 의해 달성할 수 있다.
도 2에 상세하게 나타내는 바와 같이, 하부 전열 부재(71)는, 하부 샤워 플레이트(41)의 상면에 형성된 오목부(48) 및 상부 샤워 플레이트(42)의 하면에 형성된 오목부(49)에 감합되어 있다. 그리고, 하부 전열 부재(71)는, 예컨대, AlN, Al2O3, SiC 등의 절연체를 포함하는 나사(74)에 의해, 상부 샤워 플레이트(72)의 상방으로부터 하부 전열 부재(71)를 통해 하부 샤워 플레이트(41)에 나사 결합함으로써 체결된다.
상부 샤워 플레이트(42)와 밀봉판(43) 사이에는, 이들을 열적으로 접속하도록 금속제의 상부 전열 부재(72)가 마련되어 있다. 도 1의 예에서는 상부 전열 부재(72)는 복수(예컨대 6개) 마려되어 있다. 복수의 상부 전열 부재(72)는, 적합하게는 축대칭의 위치에 마련되어 있다. 상부 전열 부재(72)는 예컨대 중앙에 1개 마련되어 있어도 좋다. 상부 전열 부재(72)는, 상부 샤워 플레이트(42)에 전열된 열을 밀봉판(43)에 유도하는 기능을 갖고 있다. 밀봉판(43)의 상부의 공간은 대기 분위기이고, 상부 전열 부재(72)로부터 밀봉판(43)에 전열된 열은, 열대류 등에 의해 제거된다.
상부 전열 부재(72)는, 예컨대 상부 샤워 플레이트(42)와 동일한 재료로 상부 샤워 플레이트(42)와 일체로 구성되어 있다. 도 2에 상세하게 나타내는 바와 같이, 상부 전열 부재(72)와 밀봉판(43)은 금속제의 나사(75)로 체결되어 있고, 상부 전열 부재(72)와 밀봉 부재(43) 사이는 시일링(O링)과 같은 밀봉 부재(76)로 밀봉되어 있어도 좋다. 또한, 상부 전열 부재(72)는 상부 샤워 플레이트(42)와 별체여도 좋다.
플라즈마 처리 장치(100)는, 또한 제어부(80)를 갖고 있다. 제어부(80)는, 플라즈마 처리 장치(100)의 구성부인 배기 장치(24), 고주파 전원(50), 가스 공급부(60)의 밸브류 등을 제어한다. 제어부(80)는, CPU를 갖는 주제어부와, 입력 장치, 출력 장치, 표시 장치, 및 기억 장치를 갖고 있다. 그리고, 기억 장치의 기억 매체에 기억된 처리 레시피에 기초하여 플라즈마 처리 장치(100)의 처리가 제어된다.
다음에, 이상과 같이 구성된 플라즈마 처리 장치(100)에 의한 처리 동작에 대해서 설명한다.
먼저, 기판(W)을 처리 용기(10)의 처리 공간인 하부 공간(11)에 반입하여, 스테이지(20) 상에 배치한다. 계속해서, 가스 공급부(60)로부터 불활성 가스를 샤워 헤드를 구성하는 플라즈마 생성부(30)를 통해 하부 공간(11)에 공급하면서 배기 장치(24)에 의해 하부 공간(11)을 배기하여 조압하여, 소망의 진공 분위기로 한다.
이 상태에서, 가스 공급부(60)로부터 처리 가스를 샤워 헤드를 구성하는 플라즈마 생성부(30)에 공급하며, 고주파 전원(50)으로부터 밀봉판(43)을 거쳐 상부 전극인 상부 샤워 플레이트(42)에 고주파 전력을 인가한다.
구체적으로는, 상부 샤워 플레이트(42)에 고주파 전력을 인가함으로써, 하부 전극인 하부 샤워 플레이트(41)와 상부 전극인 상부 샤워 플레이트(42) 사이의 플라즈마 생성 공간(45)에 고주파 전계가 형성된다. 또한, 처리 가스를 플라즈마 생성부(30)에 공급함으로써, 처리 가스는 가스 확산 공간(46)으로부터 가스 구멍(42a)을 거쳐 플라즈마 생성 공간(45)에 이르고, 고주파 전계에 의해 플라즈마 생성 공간(45)에 용량 결합 플라즈마가 생성된다. 생성된 플라즈마는, 활성종이나 하전 입자로 구성되고, 플라즈마 도입부로서 기능하는 가스 구멍(41a)으로부터 활성종만, 혹은 활성종과 하전 입자가 처리 공간인 하부 공간(11)에 도입되고, 기판(W)에 공급되어 기판(W)에 처리가 실시된다.
이때, 플라즈마 생성 공간(45)에 플라즈마가 생성되면, 플라즈마 중의 이온, 전자가 하부 샤워 플레이트(41)의 상면 및 상부 샤워 플레이트(42)의 하면에 입사한다. 입사하는 이온, 전자는 운동 에너지를 갖고 있고, 이들 면에 충돌할 때, 이들 면에 열을 부여한다. 또한, 스테이지(20) 상의 기판(W)이 가열되는 경우는, 기판(W)으로부터도 하부 샤워 플레이트(41) 및 상부 샤워 플레이트(42)에 열이 부여된다.
그런데, 반도체 제조 기술의 고도화에 따라, 플라즈마 처리 장치의 고성능화가 요구되고 있고, 특히, CVD나 ALD 등의 성막용 플라즈마 처리 장치에 있어서는, 기상 중의 활성종 밀도나 플라즈마 밀도의 증대에 따른 생산성 향상이 요구되고 있다. 본 실시형태와 같은 리모트 타입의 플라즈마 처리 장치에 있어서, 생산성 향상을 위해 대전력이 투입되면, 투입 전력에 비례하여 상부 샤워 플레이트(42)의 하면 및 하부 샤워 플레이트(41)의 상면에 부여되는 열량이 커진다. 이 때문에, 하부 샤워 플레이트(41)의 상면 및 상부 샤워 플레이트(42)의 하면의 온도가 높아져, 하부 전열 부재(71)가 존재하지 않는 경우에는, 열팽창차에 의해, 상부 샤워 플레이트(42)는 아래로 볼록하게 휘어지고, 하부 샤워 플레이트(41)는 위로 볼록하게 휘어질 우려가 있다. 이와 같이 하부 전극인 하부 샤워 플레이트(41) 및 상부 전극인 상부 샤워 플레이트(42)에 휘어짐이 생기면, 이들 사이의 거리(전극 간격)가 일정하게 유지되지 않아, 생성되는 플라즈마가 불균일해져 버린다.
특히, 활성종 밀도나 플라즈마 밀도를 증가시켜 플라즈마 처리의 효율화를 도모하기 위해 고주파 전력의 주파수를 예컨대 180 ㎒ 이상으로 높게 하면, 후술하는 바와 같이, 균일한 플라즈마를 생성하기 위해 필요한 준TEM파가 얻어지는 전극 간격이 작아져, 예컨대 2∼3 ㎜가 된다. 이와 같이 전극 간격이 작아지면, 하부 전극인 하부 샤워 플레이트(41) 및 상부 전극인 상부 샤워 플레이트(42)에서 발생하는 휘어짐에 의한 전극 간격의 변동 비율이 상대적으로 커져, 플라즈마의 균일성에 부여하는 영향은 큰 것이 된다.
이러한 전극의 휘어짐을 억제하기 위해서는, 하부 전극 및 상부 전극의 탈열(奪熱)을 효과적으로 행하는 것이 유효하고, 그것을 위해서는, 하부 전극 및 상부 전극을 두껍게 하여 이들의 직경 방향의 열저항을 저하시키는 것이 유효하다고 생각된다. 또한, 전극 내부에 냉매 유로를 마련하여 냉매에 의해 탈열하는 것도 유효하다고 생각된다. 어떻든 간에, 효과적으로 탈열하고자 하면, 종래의 기술상식에서는, 하부 전극 및 상부 전극을 두껍게 하지 않을 수 없었다.
그러나, 리모트 타입의 플라즈마 처리 장치에서는, 플라즈마 생성 공간에서 생성된 플라즈마 중의 활성종이나 하전 입자가 하부 전극인 하부 샤워 플레이트의 가스 구멍을 거쳐 처리 공간에 토출되기 때문에, 하부 전극이 두꺼우면 가스 구멍이 길어져, 활성종이나 하전 입자가 실활하기 쉬워진다. 이 때문에, 대전류를 투입하여도 생산성을 향상시키기 어렵다.
그래서, 본 실시형태에서는, 하부 전극인 하부 샤워 플레이트(41) 및 상부 전극인 상부 샤워 플레이트(42) 사이에, 이들을 열적으로 접속하도록, 절연체로 구성된 하부 전열 부재(71)를 마련한다. 이에 의해, 하부 샤워 플레이트(41) 및 상부 샤워 플레이트(42) 사이의 절연성을 유지하면서, 하부 전열 부재(71)를 통해 열을 빼낼 수 있다.
구체적으로는, 하부 샤워 플레이트(41)에 유입한 열은, 하부 전열 부재(71)를 통해 상부 샤워 플레이트(42)에 전열한다. 그리고, 상부 샤워 플레이트(42)에 유입한 열을, 상부 전열 부재(72)를 통해 밀봉판(43)에 전열한다. 밀봉판(43)의 상부의 공간은 대기 분위기로 되어 있기 때문에, 밀봉판(43)에 유입한 열은 열대류 등에 의해 제거된다.
이와 같이 하여 하부 전열 부재(71)를 마련하여 탈열을 행하기 때문에, 대전력이 투입된 경우에도 하부 샤워 플레이트(41) 및 상부 샤워 플레이트(42)의 열을 유효하게 제거할 수 있다. 이 때문에, 하부 전극 및 상부 전극인 하부 샤워 플레이트(41) 및 상부 샤워 플레이트(42)의 휘어짐을 억제할 수 있다. 이에 의해, 하부 샤워 플레이트(41) 및 상부 샤워 플레이트(42) 사이의 거리(전극 간격)를 극력 일정하게 유지할 수 있어, 플라즈마의 불균일을 억제하고, 기판(W)에 대하여 균일한 플라즈마 처리를 행할 수 있다. 특히, 고주파 전력의 주파수가 높은 경우, 전술한 바와 같이 전극 간격을 작게 하는 것이 유리하지만, 전극 간격의 변동 영향이 큰 경우에도 하부 전열 부재(71)에 의해 유효하게 열을 빼냄으로써, 전극 간격의 변동을 억제하고, 균일한 플라즈마의 처리를 행할 수 있다. 이와 같이 하부 샤워 플레이트(41) 및 상부 샤워 플레이트(42)의 열을 유효하게 제거할 수 있기 때문에, 이들을 얇게 하여도 휘어짐을 억제할 수 있고, 가스 구멍(41a)를 통과하는 활성종의 실활도 억제할 수 있다.
또한, 플라즈마 생성 공간(45)의 플라즈마 중의 이온 및 전자의 입사에 의해 하부 샤워 플레이트(41) 및 상부 샤워 플레이트(42)의 온도가 상승하여 이들이 다소 휘어진 경우에도, 휘어짐은 하부 전열 부재(71)를 사이에 끼우는 방향으로 작용한다. 이 때문에, 하부 전열 부재(71)와 하부 샤워 플레이트(41) 및 상부 샤워 플레이트(42)가 밀착하여 이들 사이의 접촉 열저항을 감소시키고, 보다 효과적으로 열을 산일시켜, 그 이상의 휘어짐을 방지할 수 있다. 또한, 하부 전열 부재(71)는, 하부 샤워 플레이트(41) 및 상부 샤워 플레이트(42)의 간격을 물리적으로 일정해지도록 유지할 수 있다. 이 때문에, 하부 샤워 플레이트(41) 및 상부 샤워 플레이트(42)에 변형하고자 하는 힘이 작용하여도, 하부 전열 부재(71)에 의해 이들의 간격이 변화하는 것이 억제되어, 플라즈마 생성 공간(45)에 균일하고 또한 안정적인 플라즈마를 생성하기 쉬워진다.
또한, 하부 전열 부재(71)로서 AlN, Al2O3, SiC, 석영 유리, Y2O3 등의 열전도율이 높은 절연체를 이용함으로써, 전열에 의해 열을 빼내는 효과를 높일 수 있다. 또한, 하부 전열 부재(71)를 구성하는 절연체의 열전도율은 사용 온도에 맞추어 선택할 수 있고, 특히, 예컨대, 20∼200℃의 범위의 사용 온도에서 100 W/K·m 이상이라고 하는 높은 열전도율을 갖는 재료가 바람직하다. 이러한 높은 열전도율을 갖는 절연체로서 AlN을 적합하게 이용할 수 있다.
하부 전열 부재(71)의 개수 및 배치는 특별히 한정되지 않고, 플라즈마의 균일성과 전열 효과를 고려하여 설정하면 좋고, 단체여도 복수여도 좋다. 하부 전열 부재(71)가 복수인 경우는, 이들을 축대칭의 위치에 배치함으로써 균일하게 열을 빼낼 수 있다.
다음에, 평행 평판 전극을 구성하는 하부 샤워 플레이트(41)와 상부 샤워 플레이트(42)의 간격에 대해서 설명한다.
균일한 플라즈마를 생성하는 관점에서, 고주파를 준TEM파로서 전파시키는 것이 바람직하다. 준TEM파 이외의 모드가 나오면 플라즈마의 균일성이 나빠진다. 고주파 전력을 준TEM파로서 전파시키기 위해서는, 평행 평판 전극을 구성하는 하부 샤워 플레이트(41)와 상부 샤워 플레이트(42)의 간격(전극 간격)(d)을 플라즈마 표피 깊이보다 작게 할 필요가 있다. 전극 간격(d)이 플라즈마 표피 깊이보다 커지면 준TEM파 이외의 모드가 나와 버린다. 또한, 보다 높은 플라즈마 균일성을 얻기 위해서는 준TEM파의 파장이 긴 것이 유효하고, 그와 같은 관점에서 전극 간격(d)을 플라즈마 표피 깊이보다 충분히 작게 하는 것이 바람직하다.
이 점에 대해서 보다 자세하게 설명한다.
준TEM파의 파장(λ)은, 근사적으로 이하의 (1) 식으로 나타낸다(P.Chabert, J.-L.Raimbault, J.-M.Rax, and A.Perret, "Suppression of the standing wave effect in high frequency capacitive discharges using a shaped electrode and dielectric lens: Self-consistent approach," PHYSICSOF PLASMAS, 11, 8(2004).).
λ=40λ0V0 1/10d-1/2f-2/5 (1)
여기서, λ0은 진공 중의 파장(m), V0은 고주파의 진폭(V), f는 주파수(㎐)이다. 원형의 전극인 경우, 전극 사이에는, 전극 중심을 복(腹)으로 하는 정재파가 형성된다. 직경 방향 위치(r)에 있어서의 전극간 전압(V(r))은, 이하의 (2) 식으로 나타낸다.
V(r)=V0J0(kr) (2)
여기서, J0은, 0차의 제1종 Bessel 함수이고, k는 파수이다. 기판의 반경을 R로 한 경우에, 예컨대 0.8V(0)＜V(R)로 하기 위해, 상기 (2) 식으로부터, λ＞9.8R이 얻어진다. 이것을 (1) 식에 대입하면, 이하의 (3) 식이 얻어진다.
d＜17(λ0/R)2V0 1/5f-4/5 (3)
(3) 식으로부터, 주파수가 높을수록, 전극 간격(d)을 작게 설정할 필요가 있는 것이 유도되고, 예컨대 f=100 ㎒에서는, 충분히 균일한 플라즈마를 얻기 위해 전극 간격(d)을 7 ㎜보다 작게 하는 것이 바람직한 것이 유도된다.
<제2 실시형태>
다음에 제2 실시형태에 대해서 설명한다.
도 3은 제2 실시형태에 따른 플라즈마 처리 장치의 중요부를 나타내는 단면도이다.
본 실시형태에서는, 도 3에 나타내는 바와 같이, 하부 샤워 플레이트(41)의 하부 전열 부재(71)의 주변 부분의 가스 구멍(41b)의 직경을, 다른 통상의 가스 구멍(41a)보다 크게 형성하고 있다. 다른 구성은 제1 실시형태와 동일하기 때문에 설명을 생략한다.
플라즈마 생성 공간에 절연체가 존재하는 경우, 절연체의 주변 부분에 있어서 플라즈마 중의 하전 입자가 소실된다. 따라서, 플라즈마 생성 공간에 존재하는 절연체의 주변 부분에서는 플라즈마 밀도가 다른 부분보다 낮아진다. 이 때문에, 가스 구멍의 직경이 균일하면, 절연체의 주변의 가스 구멍으로부터의 활성종의 방출량이 다른 가스 구멍으로부터의 활성종의 방출량보다 적어져, 처리 공간인 하부 공간(11)에 있어서 활성종의 분포의 균일성이 불충분해지는 경우가 있다. 이 경우에는, 기판(W)에 대하여 반드시 균일한 플라즈마 처리를 행할 수 있는 것은 아니다.
그래서, 본 실시형태에서는, 하부 샤워 플레이트(41)에 있어서, 절연체인 하부 전열 부재(71)의 주변 부분의 가스 구멍(41b)의 직경을, 다른 가스 구멍(41a)보다 크게 한다. 이에 의해, 가스 구멍(41b) 내에서의 활성종의 실활을 억제하여, 하부 전열 부재(71)의 주변 부분의 가스 구멍으로부터의 활성종 방출량의 저하를 보충할 수 있고, 하부 공간(11)에 있어서의 활성종의 분포를 균일하게 하여 기판(W)에 대하여 균일한 플라즈마 처리를 행할 수 있다.
<제3 실시형태>
다음에 제3 실시형태에 대해서 설명한다.
도 4는 제3 실시형태에 따른 플라즈마 처리 장치의 중요부를 나타내는 단면도이다.
본 실시형태에서는, 도 4에 나타내는 바와 같이, 상부 샤워 플레이트(42)는, 내부에 가스 유로(91)를 갖는 구성으로 되어 있다. 상부 샤워 플레이트(42)의 하부에는, 가스 유로(91)로부터 연장되며, 플라즈마 생성 공간(45)에 개구하는 복수의 가스 구멍(42b)이 형성되어 있다. 또한, 축방향으로 관통하는 구멍(78)을 갖는 절연체를 포함하는 나사(77)를, 상부 샤워 플레이트(42)의 상방으로부터 하부 전열 부재(71)를 거쳐 하부 샤워 플레이트(41)에 나사 결합함으로써, 하부 전열 부재(71)가 체결된다. 하부 플레이트(41)에는, 나사(77)의 구멍(78)에 연통하는 가스 구멍(41c)이 형성되어 있다. 또한, 상부 전열 부재(72)는, 축방향으로 관통하는 구멍(93)을 갖는 금속제의 나사(92)로 체결되어 있다. 상부 전열 부재(72)에는 가스 유로(91)에 개구하는 가스 구멍(72a)이 형성되어 있다.
본 실시형태에서는, 처리 가스 중 플라즈마화하고자 하는 것을, 구멍(93), 가스 구멍(72a), 가스 유로(91), 가스 구멍(42b)을 거쳐 플라즈마 생성 공간(45)에 공급할 수 있다. 한편, 처리 가스 중 플라즈마화하고자 하지 않는 것을, 가스 유로(62), 가스 확산 공간(46), 구멍(78), 가스 구멍(41c)을 통해 플라즈마 생성 공간(45)을 거치는 일없이 처리 공간인 하부 공간(11)에 공급할 수 있다.
예컨대, CVD나 ALD의 성막 처리에서는, 원료 가스는 플라즈마화하고자 하지 않지만, 반응 가스는 플라즈마화하고자 하는 경우가 있고, 그 경우는, 본 실시형태에 의해, 반응 가스는 플라즈마 생성 공간(45)에서 플라즈마 여기하고, 원료 가스는 플라즈마 생성 공간(45)을 거치는 일없이 하부 공간(11)에 공급할 수 있다.
또한, 상기 설명에서는, 플라즈마화하고자 하는 가스를 상부 전열 부재(72)에 마련된 가스 구멍(72a)을 통해 플라즈마 생성 공간(45)에 연통하는 가스 유로(91)에 공급하는 예를 나타내었지만, 이에 한정되지 않는다.
<제4 실시형태>
다음에 제4 실시형태에 대해서 설명한다.
본 실시형태에서는, 하부 전열 부재(71)에 관한 형상 팩터이 바람직한 범위를 규정한다. 도 5는 제4 실시형태에 따른 플라즈마 처리 장치의 중요부를 나타내는 단면도이다. 또한, 도 5는 편의상, 제3 실시형태의 도 4를 기준으로 하고 있지만, 본 실시형태는 제1 실시형태나 제2 실시형태의 도 1∼3을 기준으로 하여도 변함은 없다.
하부 전열 부재(71)는, 하부 샤워 플레이트(41)에 마련된 오목부(48) 및 상부 샤워 플레이트(42)에 마련된 오목부(49)에 감합하고 있고, 하부 전열 부재(71)의 길이가 하부 샤워 플레이트(41)와 상부 샤워 플레이트(42)의 간격(전극 간 거리)보다 길게 되어 있다. 또한, 하부 전열 부재(71)의 측면과 오목부(48) 및 오목부(49)의 측면 사이에는 간극(g)이 형성되어 있다. 이와 같이, 하부 전열 부재(71)의 길이가 전극 간 거리보다 긴 것, 감합부에 간극(g)이 마련되어 있는 것에 의해, 절연체의 하부 전열 부재(71)의 설치에 의한 기생 용량의 증가를 억제할 수 있어, 플라즈마 생성 공간(45)에 있어서 고주파 전류의 치우침에 의한 플라즈마 분포의 악화를 회피하기 쉽다.
하부 전열 부재(71)의 측면과 오목부(48) 및 오목부(49)의 측면 사이의 간극(g)은, 플라즈마의 시스 두께(0.1∼1 ㎜)보다 작은 것이 바람직하다. 즉, 간극(g) 내에 플라즈마가 들어가면 플라즈마의 분포가 악화하는 경우가 있기 때문에, 간극(g)을 시스 두께보다 작게 하여 간극(g)에의 플라즈마의 침입을 억제한다.
도 5에 나타내는 바와 같이, 하부 전열 부재(71)의 하부 샤워 플레이트(41) 및 상부 샤워 플레이트(42)에의 감합 깊이를 h, 하부 샤워 플레이트(41)와 상부 샤워 플레이트(42)의 간격(전극 간 거리)을 d로 한 경우에, h＞0.1d가 바람직하다. 이 관계를 만족시킴으로써, 감합부를 마련하는 것에 의한 기생 용량을 줄이는 효과를 보다 높일 수 있다.
또한, 하부 전열 부재(71)의 직경을 p로 한 경우에, h＜3p가 바람직하다. 감합부의 깊이(h)가 3p보다 커지면, 감합부의 깊이(h)를 바꾸어도 기생 용량이 거의 변화하지 않는 한편, 하부 전열 부재(71)의 열저항이 커져 버린다.
<그 외의 적용>
이상, 실시형태에 대해서 설명하였지만, 이번에 개시된 실시형태는, 모든 점에서 예시로서 제한적인 것이 아니라고 생각되어야 한다. 상기 실시형태는, 첨부된 청구범위 및 그 주지를 일탈하는 일없이, 여러 가지 형태로 생략, 치환, 변경되어도 좋다.
예컨대 상기 실시형태에서는, 하부 샤워 플레이트를 하부 전극으로 하고, 상부 샤워 플레이트를 상부 전극으로 하여, 플라즈마 생성 공간에 처리 가스를 샤워형으로 공급하며, 플라즈마 중의 활성종을 샤워형으로 처리 공간에 유도하는 예를 나타내었다. 그러나, 평행 평판 전극 사이에 플라즈마를 여기하고, 플라즈마를 처리 공간에 도입하는 리모트 타입의 플라즈마 처리 장치이면 상기 실시형태에 한정되는 것이 아니다. 또한, 상기 실시형태에서는, 상부 샤워 플레이트 상에 가스 확산 공간을 통해 밀봉판을 마련하고, 상부 샤워 플레이트와 밀봉판 사이에 상부 전열 부재를 마련하여 상부 샤워 플레이트의 열을 상부 전열 부재에 전열하는 구조로 하였지만, 이에 한정되는 것이 아니다. 또한, 플라즈마 처리로서 CVD나 ALD 등의 성막 처리를 예로 들어 설명하였지만, 이에 한정되는 것이 아니고, 예컨대 플라즈마 에칭 등의 다른 플라즈마 처리여도 좋다.
10; 처리 용기, 11; 하부 공간(처리 공간), 20; 스테이지, 24; 배기 장치, 30; 플라즈마 생성부, 41; 하부 샤워 플레이트(하부 전극), 42; 상부 샤워 플레이트(상부 전극), 50; 고주파 전원, 60; 가스 공급부, 71; 하부 전열 부재(전열 부재), 72; 상부 전열 부재, 100; 플라즈마 처리 장치, W; 기판

Claims (20)

  1. 플라즈마 처리 장치에 있어서,
    기판이 배치되는 처리 공간을 갖는 처리 용기와,
    서로 대향하여 마련되며, 평행 평판 전극으로서 구성되는 제1 전극 및 제2 전극을 갖고, 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 사이에 플라즈마 생성 공간이 형성되는 플라즈마 생성부와,
    상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 고주파 전계를 형성하는 고주파 전력 공급 수단과,
    상기 플라즈마 생성 공간에 플라즈마를 생성하기 위한 처리 가스를 공급하는 가스 공급부와,
    상기 플라즈마 생성 공간에 생성된 플라즈마를 상기 처리 공간에 도입하는 플라즈마 도입부와,
    상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에, 이들을 열적으로 접속하도록 마련된, 절연체를 포함하는 전열 부재
    를 포함하고, 상기 처리 공간에 도입된 플라즈마에 의해 상기 기판에 플라즈마 처리가 실시되는, 플라즈마 처리 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전열 부재는, 상기 제1 전극과 상기 제2 전극의 간격을 일정하게 유지하도록 마련되는 것인, 플라즈마 처리 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 전열 부재는 복수개 마련되고, 복수의 상기 전열 부재는 축대칭의 위치에 마련되는 것인, 플라즈마 처리 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 전열 부재는, 질화알루미늄, 알루미나, 탄화규소, 석영 유리, 이트리아에서 선택된 재료로 구성되는 것인, 플라즈마 처리 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 전열 부재의 열전도율은, 사용 온도에 따라 선택되는 것인, 플라즈마 처리 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 전열 부재의 열전도율은, 사용 온도가 20∼200℃의 범위에서 100 W/K·m 이상인 것인, 플라즈마 처리 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 전열 부재는 질화알루미늄으로 구성되는 것인, 플라즈마 처리 장치.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전열 부재는, 기생 용량의 발생이 억제되도록 마련되는 것인, 플라즈마 처리 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 전열 부재는, 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극에 형성된 오목부에 감합되어 있는 것인, 플라즈마 처리 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 전열 부재의 측면과 상기 오목부의 간극은, 플라즈마의 시스 두께보다 작은 것인, 플라즈마 처리 장치.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 오목부의 깊이를 h, 상기 제1 전극과 상기 제2 전극의 간격을 d로 한 경우에, h＞0.1d를 만족시키는, 플라즈마 처리 장치.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 오목부의 깊이를 h, 상기 전열 부재의 직경을 p로 한 경우에, h＜3p를 만족시키는, 플라즈마 처리 장치.
  13. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 플라즈마 생성부는, 샤워 헤드를 구성하고, 상기 제1 전극은 복수의 제1 가스 구멍을 갖는 하부 샤워 플레이트이고, 상기 제2 전극은 복수의 제2 가스 구멍을 갖는 상부 샤워 플레이트이고, 상기 제1 가스 구멍이 상기 플라즈마 도입부로서 기능하고, 상기 상부 샤워 플레이트와의 사이에 가스 확산 공간을 갖도록 상기 상부 샤워 플레이트를 밀봉하는 밀봉 부재와, 상기 상부 샤워 플레이트와 상기 밀봉 부재 사이에, 이들을 열적으로 접속하도록 마련된 제2 전열 부재를 더 포함하고,
    상기 가스 공급부로부터 플라즈마를 생성하기 위한 처리 가스가 상기 가스 확산 공간 및 상기 제2 가스 구멍을 거쳐 상기 플라즈마 생성 공간에 공급되고,
    상기 플라즈마 생성 공간에서 생성된 상기 플라즈마가, 상기 플라즈마 도입부로서의 상기 제1 가스 구멍을 통과하여 상기 처리 공간에 도입되는 것인, 플라즈마 처리 장치.
  14. 제13항에 있어서,
    복수의 상기 제1 가스 구멍 중, 상기 전열 부재의 주변 부분에 존재하는 것은, 다른 것보다 크게 형성되는 것인, 플라즈마 처리 장치.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 전열 부재는, 관통 구멍을 갖고, 절연체를 포함하는 나사로 상기 하부 샤워 플레이트 및 상기 상부 샤워 플레이트에 체결되고, 상기 처리 가스의 일부가 상기 나사의 상기 관통 구멍을 통과하여 상기 플라즈마 생성 공간을 거치지 않고 상기 처리 공간에 공급되고, 상기 처리 가스의 잔부가 상기 플라즈마 생성 공간에서 플라즈마화된 후, 상기 플라즈마 도입부로서의 상기 제1 가스 구멍을 통과하여 상기 처리 공간에 도입되는 것인, 플라즈마 처리 장치.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 플라즈마 처리가 성막 원료 가스와 반응 가스의 반응에 의해 기판 상에 막을 형성하는 성막 처리이고, 상기 플라즈마 생성 공간을 거치지 않고 상기 처리 공간에 공급되는 상기 처리 가스의 일부가 상기 성막 원료 가스이고, 상기 플라즈마 생성 공간에서 플라즈마화되는 상기 처리 가스의 잔부가 상기 반응 가스인 것인, 플라즈마 처리 장치.
  17. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 전극과 상기 제2 전극의 간격은, 상기 고주파 전력이 준TEM파로서 전파되도록, 플라즈마 표피 깊이보다 작게 설정되는 것인, 플라즈마 처리 장치.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 제1 전극과 상기 제2 전극의 간격 d는, 이하의 식을 만족시키도록 설정되며,
    d＜17(λ0/R)2V0 1/5f-4/5
    단, λ0은 진공 중의 파장(m), V0은 고주파의 진폭(V), f는 주파수(㎐), R은 기판의 반경인 것인, 플라즈마 처리 장치.
  19. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 고주파 전력 공급 수단이 공급하는 고주파 전력의 주파수는, VHF∼UHF대인 것인, 플라즈마 처리 장치.
  20. 플라즈마 처리 장치에 의해 기판에 대하여 플라즈마 처리를 행하는 플라즈마 처리 방법으로서,
    상기 플라즈마 처리 장치로서, 기판이 배치되는 처리 공간을 갖는 처리 용기와, 서로 대향하여 마련되며, 평행 평판 전극으로서 구성되는 제1 전극 및 제2 전극을 갖고, 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 사이에 플라즈마 생성 공간이 형성되는 플라즈마 생성부와, 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 고주파 전계를 형성하는 고주파 전력 공급 수단과, 상기 플라즈마 생성 공간에 플라즈마를 생성하기 위한 처리 가스를 공급하는 가스 공급부와, 상기 플라즈마 생성 공간에 생성된 플라즈마를 상기 처리 공간에 도입하는 플라즈마 도입부와, 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에, 이들을 열적으로 접속하도록 마련된 절연체를 포함하는 전열 부재를 갖는 것을 이용하는 단계와,
    상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 고주파 전계를 형성하는 단계와,
    상기 플라즈마 생성 공간에 상기 처리 가스를 공급하여 상기 고주파 전계에 의해 플라즈마를 생성하는 단계와,
    상기 플라즈마 도입부를 통해 상기 플라즈마를 상기 처리 공간에 도입하여, 상기 기판에 플라즈마 처리를 실시하는 단계와,
    상기 플라즈마 처리 시에 상기 전열 부재에 의해 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극에 생긴 열을 빼내는 단계
    를 포함하는, 플라즈마 처리 방법.
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