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KR20210030371A - 플라즈마 처리 장치 - Google Patents

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KR20210030371A
KR20210030371A KR1020217002007A KR20217002007A KR20210030371A KR 20210030371 A KR20210030371 A KR 20210030371A KR 1020217002007 A KR1020217002007 A KR 1020217002007A KR 20217002007 A KR20217002007 A KR 20217002007A KR 20210030371 A KR20210030371 A KR 20210030371A
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KR
South Korea
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antenna
impedance
plasma
plasma processing
processing apparatus
Prior art date
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Application number
KR1020217002007A
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Inventor
히로후미 카네코
타케시 노구치
타츠야 사토
Original Assignee
와이에이씨 테크놀로지 가부시키가이샤
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 와이에이씨 테크놀로지 가부시키가이샤 filed Critical 와이에이씨 테크놀로지 가부시키가이샤
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Abstract

본 발명은, 내부의 압력이 제어 가능한 진공 용기와, 가스 공급 수단과, 진공 용기 내에 마련되고, 상면에 기판을 재치하는 전극과, 전극에 대향 배치된 유도 결합을 형성하기 위한 안테나를 갖는 플라즈마 처리 장치로서, 유도 결합을 형성하는 안테나는, 일단을 정합 회로를 개재하여 고주파 전원에 접속하고, 타단을 개방단으로 하며, 안테나의 길이는 RF 주파수의 파장(λ)의 1/2λ 미만이고, 안테나의 RF 급전 측에 안테나에 병렬인 임피던스 조정 회로를 접속하며, 임피던스 조정 회로에 의한 합성 임피던스의 리액턴스 성분을, 안테나에 공급되는 RF 주파수에 대해, 용량성 부하로부터 유도성 부하까지 조정 가능한 것을 특징으로 한다.

Description

플라즈마 처리 장치
본 발명은 플라즈마 처리 장치에 관한 것이다.
본원은 2018년 7월 26일에 일본에 출원된 일본 특허 출원 2018-140650호에 기초하여 우선권을 주장하고, 그 내용을 여기에 원용한다.
근래, 액정 표시 장치(LCD)나 유기 EL 디스플레이(OLED) 등의 플랫 패널 디스플레이(FPD)의 제조에서, 유리 기판 등의 기판에 소정의 플라즈마 처리를 실시할 때에, 기판 사이즈의 대형화에 따라, 대면적의 기판을 처리 가능한 플라즈마 처리 장치의 니즈가 높다. 또한, 기판에 대하여 플라즈마 에칭이나, 플라즈마 제막 등의 처리를 행하는 경우, 종래의 용량 결합성 플라즈마 처리 장치에서는 생성되는 플라즈마 밀도가 낮고, 이에 따라 에칭 속도나 제막 속도가 낮기 때문에 처리 시간이 길어져, 생산성 악화나 장치 대수의 증가에 의한 제조 라인의 코스트 증가 등의 문제가 있다.
이와 같은 문제에 대하여, 고밀도의 플라즈마가 생성 가능한 유도 결합성 플라즈마(Inductively Coupled Plasma: ICP)를 사용한 플라즈마 처리 장치가 유효하지만, 처리를 행하는 기판 면적의 대형화에 따라, 유도 결합형 플라즈마 처리 장치에서도, 이하와 같은 장치에 대한 요구 과제가 있다.
(1) 보다 고밀도의 플라즈마가 생성 가능한, 고밀도 플라즈마 생성 기구.
(2) 대면적에서 균일한 플라즈마가 생성 가능한, 고밀도 플라즈마 생성 기구.
(3) 대면적에서, 플라즈마의 면내 분포를 자재(自在)로 조정 가능한, 고밀도 플라즈마 생성 기구.
(4) 고주파 전력(RF 파워)이 고 파워가 되어도, ICP 생성용 안테나 코일의 RF 전위를 낮게 억누르고, 안테나 하의 유전체 창의 플라즈마로부터의 이온 어택에 의한 깎임을 억제하며, 유전체 창의 이온 어택에서 발생하는 이물(파티클)의 발생량을 저감 가능한, 고밀도 플라즈마 처리 장치.
(5) 다양한 플라즈마 처리의 어플리케이션에 대해, 안정하여 방전 가능하고, 또한 각종 플라즈마 처리 조건에 대해, 간단하게 플라즈마의 강약, 밀도 분포가 조정 가능한 고밀도 플라즈마 처리 장치.
이와 같은 플라즈마 처리 장치에 대한 요구 과제에 대하여, 종래의 플라즈마 처리 장치에서는 모든 과제를 극복하는 것이 곤란하였다.
특허문헌 1: 일본 특허공보 제4080793호 특허문헌 2: 일본 특허공보 제5399151호 특허문헌 3: 일본 특허공개공보 2013-105664호
상기한 플라즈마 처리 장치에 대한 요구에 대하여, 특허문헌 1에서는 복수의 코일을 병렬로 배치하여 이루어지는 평면 상의 안테나 코일과, 각각에 직렬로 접속된 하나 이상의 콘덴서를 구비한 집합체 안테나가 이용되고 있다.
그러나, 이 플라즈마 처리 장치에서는 기판 사이즈의 대형화에 따라, 보다 대용량의 고주파 전력(RF 파워)을 걸었을 경우, 안테나 코일의 급전부의 전위가 충분히 저하되지 못하여, 상기 (4)에 기재된 안테나 하의 유전체 창의 플라즈마로부터의 이온 어택에 의한 깍임과, 이물의 발생을 충분히 억제되지 못하였다.
또한, (1)에 기재된 보다 고밀도의 플라즈마가 요구되는 가운데, 이 안테나 구조에서는 플라즈마 밀도의 고밀도화에 한계가 있었다.
특허문헌 2에 기재된 기술에서는, 처리실 내에 유도 결합을 형성하는 안테나 회로와, 안테나 회로에 병렬로 접속된 병렬 회로를 구비하고, 안테나 회로의 임피던스와, 상기 병렬 회로의 임피던스를 역위상으로 하여, 플라즈마의 분포 조정을 실시 가능한 플라즈마 처리 장치가 기재되어 있다.
그러나, 특허문헌 2에 기재된 기술에서는, 상기 플라즈마 처리 장치에 대한 요구 과제의 (4)에 기재된 안테나 급전부의 전위 상승에 대한 효과의 기재는 없다. 또한, 안테나 회로와 상기 병렬 회로가, 병렬 공진에 가까운 상태가 된 경우, 안테나 급전부의 RF 전위가 상승하고, 안테나 전위 상승에 의한 유전체 창으로의 플라즈마로부터의 이온 어택의 증가나, 이온 어택에서 발생하는 이물(파티클)의 증가의 우려가 추측된다.
또한, 상기 요구 과제의 (3)에 기재된 대면적에서의 플라즈마 면내 분포를 자재로 조정 가능한 구조로는 되어 있지 않다.
또한, 안테나 단(端)을 콘덴서를 개재하여 GND에 접속하거나, 그대로 GND에 접속한 경우, 안테나의 길이를 길게 하면, 안테나의 인덕턴스(L 성분)가 증가한다. 그 때문에, 안테나 급전부의 RF 전위의 상승이나 안테나 회로와 병렬 회로의 리액턴스 성분(C 성분)을 증가시킬(콘덴서의 경우는 용량을 저하시킬) 필요가 있다. 이와 같은 경우, 안테나와 병렬 회로의 임피던스의 조정 범위가 좁아지기 때문에, 대면적에서의 플라즈마 분포의 자재로운 조정이 어려운 것이 추측된다.
특허문헌 3에는, 복수의 분할 안테나의 각각에 병렬로 마련된 병렬 공진 커패시터 회로를 갖고, 부하를 병렬 공진 상태로 하는 안테나 회로가 기재되어 있다. 특허문헌 3에 따르면, 이와 같은 회로는 정합(매칭) 회로에 흐르는 전류값을 적게하여, 정합 회로의 발열을 억제하면서, 유도 결합 플라즈마 처리 장치의 파워 효율을 향상시키는 것이 가능하다.
그러나, 특허문헌 3에 기재된 기술에서도, 상기 플라즈마 처리 장치에 대한 요구 과제의 (4)에 기재된 안테나 급전부의 전위 상승에 대한 효과의 기재는 없다. 또한, 안테나 회로와 상기 병렬 회로가 병렬 공진에 가까운 상태가 된 경우, 안테나 급전부의 RF 전위가 상승하고, 안테나 전위 상승에 의한 유전체 창으로의 플라즈마로부터의 이온 어택의 증가나, 이온 어택에서 발생하는 이물(파티클)의 증가의 우려가 추측된다.
본 발명은 상기 사정이 감안되어진 것으로서, 안테나 급전부의 전위가 낮고, 이물의 발생을 억제 가능하며, 또한 고밀도 플라즈마를 실현 가능하고, 플라즈마 처리의 면내 분포의 제어성이 우수하여, 대면적의 플라즈마 처리가 가능한 플라즈마 처리 장치의 제공을 목적으로 한다.
상기의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 이하의 구성을 채용하였다.
"1" 본 발명에 따른 플라즈마 처리 장치는, 내부의 압력이 제어 가능한 진공 용기와, 상기 진공 용기 내에 가스를 공급하는 가스 공급 수단과, 상기 진공 용기 내에 마련되고, 상면에 기판을 재치하는 하부 전극과, 이 하부 전극에 대향 배치된 유도 결합을 형성하기 위한 안테나를 갖는 플라즈마 처리 장치로서, 상기 유도 결합을 형성하는 상기 안테나가, 일단을 정합 회로를 개재하여, 고주파 전력을 공급하는 고주파 전원에 접속하고, 타단을 개방단으로 하며, 상기 안테나의 길이가 RF 주파수의 파장(λ)의 1/2λ 미만이고, 상기 안테나의 고주파 전력 급전 측에, 상기 안테나에 병렬인 임피던스 조정 회로를 접속하며, 상기 임피던스 조정 회로에 의한 합성 임피던스의 리액턴스 성분을, 상기 안테나에 공급되는 RF 주파수에 대해, 용량성 부하로부터 유도성 부하까지 조정 가능하게 하는 것을 특징으로 한다.
플라즈마 처리 장치에서, 하부 전극과 유도 결합하는 안테나의 일단을 정합 회로를 개재하여 고주파 전원에 접속하고 타단을 개방단으로 함으로써, 안테나의 타단을 콘덴서를 개재하여 접지한 종래 구조에 비하여, 안테나 급전부에서의 RF 전위를 예컨대 약 1/3 이하 등으로 저감할 수 있다. 이 때문에, 안테나로부터 방사되는 진동 전계를 저감할 수 있고, 플라즈마로부터의 이온 어택에 의한 유전체 창의 깎임을 억제하여, 이온 어택에서 기인하는 이물(파티클) 발생을 억제할 수 있다.
플라즈마 처리 장치에서, 합성 임피던스의 리액턴스 성분을 용량성 부하로부터 유도성 부하까지 조정 가능한 임피던스 조정 수단을 구비함으로써, 안테나에 흐르는 RF 전류의 양을 조정 가능해진다. 이에 의해, 플라즈마의 밀도, 강약이 조정 가능해진다. 안테나에 병렬인 임피던스 조정 회로로 함으로써, 보다 고밀도의 플라즈마의 생성을 가능하게 하고, 대면적에서 균일한 플라즈마의 생성을 가능하게 한다.
"2" 본 발명에서, 상기 임피던스 조정 수단이 가변 콘덴서이고, 사용하는 어플리케이션에 의해 상기 가변 콘덴서의 용량을 최적화하며, 상기 임피던스 조정 회로의 합성 임피던스를, 상기 안테나에 공급되는 RF 주파수에 대해 조정함으로써, 플라즈마 분포의 조정, 플라즈마 밀도의 조정을 자재로 한 것이 바람직하다.
가변 콘덴서의 이용에 의해, 사용하는 어플리케이션에 의해 다양한 플라즈마 처리 조건에 대해, 플라즈마 분포, 플라즈마 밀도의 조정이 용이하게 할 수 있다.
"3" 본 발명에서, 상기 유도 결합을 형성하는 안테나가 스파이럴 형상의 코일 안테나이고, 그 권수(턴 수)가 적어도 2턴 이상의 권수를 갖는 것이 바람직하다.
스파이럴 형상의 코일 안테나라면, 일반적인 빗살형 형상이나 사다리형 형상, 크랭크형 형상의 안테나에 비하여, 안테나와 플라즈마와의 결합이 강해져, 보다 고밀도의 플라즈마가 생성 가능하다.
또한, 코일 안테나의 권수는, 하기 안테나로부터 방사되는 자계 강도 H의 식 (1)로부터, 자장 강도 H와 비례 관계에 있고, 턴 수가 많을수록, 코일 안테나로부터 방사되는 자장 강도가 강해지며, 보다 고밀도의 플라즈마가 생성 가능해진다.
Figure pct00001
식 (1)에서 I는 코일 안테나에 흐르는 전류(순시값)이고, a는 코일 안테나의 반경, x는 중심으로부터의 거리, n은 코일 안테나의 권수(턴 수)를 각각 나타낸다.
"4" 본 발명에서, 상기 안테나의 개방단 측의 부분이 전위의 상승에 의한 기중 방전(아킹) 방지용의 절연체로 피복되거나, 혹은 절연체를 개재하여 근처의 구조물에 지지되는 것이 바람직하다.
안테나의 일단을 개방단으로 하면, RF 전위의 상승에 의해 고 RF 전력을 투입하였을 때, 기중 방전(아킹)을 발생할 우려가 있다. 안테나의 개방단을 절연체로 덮거나, 절연체를 개재하여 지지하면, 기중 방전(아킹)을 방지할 수 있다.
"5" 본 발명에 따른 플라즈마 처리 장치는, 내부의 압력이 제어 가능한 진공 용기와, 상기 진공 용기 내에 가스를 공급하는 가스 공급 수단과, 상기 진공 용기 내에 마련되고, 상면에 기판을 재치하는 하부 전극과, 이 하부 전극에 대향 배치된 유도 결합을 형성하기 위한 안테나를 갖는 플라즈마 처리 장치로서, 상기 안테나가 일단을 정합 회로를 개재하여 고주파 전력을 공급하는 고주파 전원에 접속하고, 타단을 개방단으로 한 복수의 안테나 소자를 집합시킨 집합체 안테나이고, 상기 안테나의 길이가 RF 주파수의 파장(λ)의 1/2λ 미만이고, 상기 정합 회로로부터 상기 복수의 안테나까지의 사이에, RF 전력을 분배 공급하기 위한 RF 전력 분배 경로를 가지며, 상기 RF 전력 분배 경로와 각각의 안테나의 고주파 전력 급전 측의 사이에, 상기 안테나에 병렬인 임피던스 조정 회로가 적어도 하나 이상의 안테나에 병렬로 접속되고, 상기 안테나 또는 안테나 군과, 상기 임피던스 정합 회로에 의한 합성 임피던스의 리액턴스 성분이, 상기 안테나 또는 상기 안테나 군에 공급되는 RF 주파수에 대해, 용량성 부하로부터 유도성 부하까지 상기 임피던스 조정 수단에 의해 조정 가능한 것을 특징으로 한다.
플라즈마 처리 장치에서, 하부 전극과 유도 결합하는 안테나 또는 안테나 군의 일단을 정합 회로를 개재하여 고주파 전원에 접속하고 타단을 개방단으로 함으로써, 안테나의 타단을 콘덴서를 개재하여 접지한 종래 구조에 비하여, 안테나 급전부에서의 RF 전위를 예컨대 약 1/3 이하 등으로 저감할 수 있다. 이로 인해, 플라즈마로부터의 이온 어택에 의한 유전체 창의 깎임을 억제하여, 이온 어택에서 기인하는 이물(파티클) 발생을 억제할 수 있다.
플라즈마 처리 장치에서, 합성 임피던스의 리액턴스 성분을 용량성 부하로부터 유도성 부하까지 조정 가능한 임피던스 조정 수단을 구비함으로써, 안테나에 흐르는 RF 전류의 양을 조정 가능해진다. 이에 의해, 플라즈마의 밀도, 강약이 조정 가능해진다. 복수의 안테나 소자를 집합한 집합체 안테나로 함으로써, 대면적에서 균일한 플라즈마가 생성 가능한 고밀도 플라즈마 생성 기구를 제공할 수 있다.
안테나에 병렬인 임피던스 조정 회로로 함으로써, 보다 고밀도의 플라즈마의 생성을 가능하게 하고, 대면적에서 균일한 플라즈마의 생성을 가능하게 한다.
또한, 복수의 안테나 군으로부터 안테나를 구성함으로써 플라즈마의 면내 분포 조정을 자재로 행할 수 있는 플라즈마 처리 장치를 제공할 수 있다.
"6" 본 발명에서, 상기 임피던스 조정 수단이 가변 콘덴서이고, 사용하는 어플리케이션에 의해 상기 가변 콘덴서의 용량을 최적화하며, 상기 임피던스 조정 회로의 합성 임피던스를, 상기 안테나에 공급되는 RF 주파수에 대해 조정함으로써, 플라즈마 분포 조정, 플라즈마 밀도의 조정을 자재로 한 것이 바람직하다.
가변 콘덴서의 이용에 의해, 사용하는 어플리케이션에 의해 다양한 플라즈마 처리 조건에 대해, 플라즈마 분포, 플라즈마 밀도의 조정이 용이하게 할 수 있게 된다.
"7" 본 발명에서, 상기 유도 결합을 형성하는 안테나가 스파이럴 형상의 안테나 코일이고, 그 권수(턴 수)가 적어도 2턴 이상의 권수를 갖는 것이 바람직하다.
스파이럴 형상의 코일 안테나라면, 일반적인 빗살형 형상이나 사다리형 형상, 크랭크형 형상의 안테나에 비하여, 안테나와 플라즈마와의 결합이 강해져, 보다 고밀도의 플라즈마가 생성 가능하다.
또한, 코일 안테나의 권수는, 앞서 나타낸 안테나로부터 방사되는 자계 강도 H의 식 (1)로부터, 자장 강도 H와 비례 관계에 있고, 턴 수가 많을수록, 코일 안테나로부터 방사되는 자장 강도가 강해지며, 보다 고밀도의 플라즈마가 생성 가능해진다.
"8" 상기 안테나의 개방단 측의 부분이, 전위의 상승에 의한 기중 방전(아킹) 방지용의 절연체로 피복되거나, 혹은 절연체를 개재하여 근처의 구조물에 지지되는 것이 바람직하다.
안테나의 일단을 개방단으로 하면, RF 전위의 상승에 의해 고 RF 전력을 투입하였을 때, 기중 방전(아킹)을 발생할 우려가 있다. 안테나의 개방단을 절연체로 덮거나, 절연체를 개재하여 지지하면 기중 방전(아킹)을 방지할 수 있다.
"9" 본 발명에서, 상기 안테나 군의 각각의 안테나의 RF 전원으로부터 개방단부에 이르는 경로의 도중에, 각각의 안테나에 흐르는 RF 전류를 계측 가능한 전류계를 구비하고, 상기 안테나 흐르는 전류값으로부터, 상기 임피던스 조정 회로의 임피던스를 조정 자재로 하여, 상기 안테나에 흐르는 전류값을 조정함으로써, 플라즈마 밀도의 면내 분포를 제어 가능하게 한 것이 바람직하다.
안테나의 전류값으로부터, 안테나에 병렬로 접속된 임피던스 조정 회로의 임피던스를 조정 가능하게 할 수 있으므로, 플라즈마 분포 조정의 재현성의 확보와 조정 시간의 단축이 가능해진다. 또한, 안테나 군의 어느 안테나나 임피던스 조정 회로의 어느 제어 기구에 문제가 발생한 경우, 순시에 문제를 검출하고, 기판의 플라즈마 처리를 중단하여, 알람을 발보함으로써, 기판의 처리 불량을 미연에 방지하는 것이 가능하게 된다.
"10" 본 발명에서, 상기 임피던스 조정 회로의 조정이, 플라즈마 처리를 행하기 위한 처리 레시피의 각 처리 스텝에서 설정 가능하고, 사전에 임의의 임피던스 조정 회로의 값을 설정한 임피던스 조정값의 파라미터 설정에 의해 설정 가능하게 한 것이 바람직하다.
플라즈마 처리를 행하는 경우, 사전에 임의의 임피던스 조정 회로의 값을 설정한, 임피던스 조정값의 파라미터 설정을 이용함으로써, 각 처리 스텝에서 최적의 플라즈마 분포나 플라즈마 강도를 선택하는 것이 가능한 플라즈마 처리 장치를 제공할 수 있다. 이에 의해, 다양한 플라즈마 처리의 어플리케이션에 대하여, 간단하게 플라즈마의 강약, 밀도 분포가 조정 가능해진다.
"11" 본 발명에서, 상기 합성 임피던스의 리액턴스 성분이 사용하는 RF 주파수에 대하여, 용량성 부하로부터 유도성 부하까지의 변화에 대응 가능한, 역 L형 정합 회로, 또는 T형 정합 회로로부터 상기 정합 회로가 구성되는 것이 바람직하다.
역 L형 정합 회로 또는 T형 정합 회로에 의해 용량성 부하의 임피던스로부터 유도성 부하의 임피던스까지 정합 범위를 커버하는 것이 가능해져, 본 형태의 플라즈마 처리 장치에 적용할 수 있다.
본 발명의 플라즈마 처리 장치에 따르면, 종래의 유도 결합형 플라즈마 처리 장치와 비교하여, 보다 고밀도의 플라즈마가 생성 가능하고, 또한 대면적이어도 플라즈마의 면내 분포를 자재로 조정 가능해지며, 또한 고주파 전력이 고 파워가 되어도, 안테나 코일의 RF 전위를 낮게 억눌러, 안테나 하의 유전체 창의 플라즈마로부터의 이온 어택에 의한 깎임을 억제하고, 이물(파티클)의 발생를 억제하는 것이 가능해진다.
또한, 본 발명은 플라즈마 에칭 장치나 애싱 장치에 한정되지 않고, CVD 제막 장치 등의 다른 플라즈마 처리 장치에 널리 적용할 수 있다.
도 1은 종래의 유도 결합형 플라즈마 처리 장치를 나타내는 단면도이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시형태에 따른 플라즈마 처리 장치를 나타내는 단면도이다.
도 3은 본 발명의 제1 실시형태에 따른 플라즈마 처리 장치에 마련되는 종단 개방단 안테나의 예를 나타내는 도이다.
도 4는 본 발명의 제1 실시형태에 따른 플라즈마 처리 장치에 마련되는 종단 개방단 안테나와 병렬인 임피던스 조정용 회로(가변 콘덴서)의 배치예를 나타내는 도이다.
도 5는 종래의 유도 결합형 안테나를 사용하였을 때의 안테나 코일의 전위 분포를 나타내는 도이다.
도 6은 본 발명의 제1 실시형태에 따른 종단 개방단 안테나 소자와, 병렬인 임피던스 조정 회로(가변 콘덴서)를 사용하였을 때의, 안테나 코일의 전위 분포를 나타내는 도이다.
도 7은 다른 형태에서, 종단 개방단 안테나 코일에 더욱 직렬로 콘덴서를 추가하였을 때의 안테나 코일의 전위 분포를 나타내는 도이다.
도 8은 동 종단 개방단 안테나 코일을 사용한 경우와, 종래의 안테나 구조에서의 세라믹 유전체 창 하에 설치한 SiO2 산화막의 평가용 칩의 깎임양 비교 결과를 측정한 경우에 적용한 플라즈마 처리 장치를 나타내는 단면도이다.
도 9는 코일 안테나 타단부(개방단)의 기중 방전(아킹) 방지 구조를 나타내는 것이며, (A)는 제1 예를 나타내는 사시도, (B)는 제2 예를 나타내는 사시도이다.
도 10은 본 발명의 실시예 1의 플라즈마 처리 장치에서의, 부하 측 합성 임피던스의 RF 주파수에 대한 변화를 나타낸 도이다.
도 11은 본 발명의 제2 실시형태에 따른 플라즈마 처리 장치에 마련되는 종단 개방단 안테나 군(4개)과, 각각의 안테나에 병렬인 임피던스 조정 수단(가변 콘덴서)의 배치예를 나타내는 도이다.
도 12는 본 발명의 제2 실시형태에 따른 플라즈마 처리 장치에 마련되는 종단 개방단 안테나 군(4개)과, 2개의 안테나에 대하여 하나의 병렬인 임피던스 조정 수단(가변 콘덴서)을 설치하였을 때의 배치예를 나타내는 도이다.
도 13은 본 발명의 제2 실시형태에 따른 플라즈마 처리 장치에 마련되는 종단 개방단 안테나 군(16개)과, 각각의 안테나에 병렬인 임피던스 조정 수단(가변 콘덴서)을 설치하였을 때의 배치예를 나타내는 도이다.
도 14는 본 발명의 제2 실시형태에 따른 플라즈마 처리 장치에 마련되는 종단 개방단 안테나 군(16개)과, 2개의 안테나에 대하여 하나의 병렬인 임피던스 조정 수단(가변 콘덴서)을 설치하였을 때의 배치예를 나타내는 도이다.
도 15는 본 발명의 제2 실시형태에 따른 종단 개방단 안테나 군과, 각각의 안테나에 병렬인 임피던스 조정 수단(가변 콘덴서)을 설치하고, 임피던스 조정을 실시한 상태에서, 플라즈마 밀도 분포 조정을 간략적으로 나타낸, 플라즈마 처리 장치의 단면도이다.
도 16은 종단부가 개방단의 안테나에서의, 안테나와 병렬 접속된 임피던스 조정 회로를 조정하였을 때의, 산소 플라즈마의 발광 분광 강도(OES)의 비교 결과를 나타내는 그래프이다.
도 17은 실시예 2의 안테나 구조인 경우의 산소 플라즈마 밀도와, 종래의 안테나 구조인 경우의 산소 플라즈마 밀도에 대하여 압력 10mTorr인 경우의 비교 결과를 나타내는 그래프이다.
도 18은 실시예 2의 안테나 구조인 경우의 산소 플라즈마 밀도와, 종래의 안테나 구조인 경우의 산소 플라즈마 밀도에 대하여 압력 20mTorr인 경우의 비교 결과를 나타내는 그래프이다.
도 19는 실시예 2의 안테나 구조인 경우의 산소 플라즈마 밀도와, 종래의 안테나 구조인 경우의 산소 플라즈마 밀도에 대하여 압력 30mTorr인 경우의 비교 결과를 나타내는 그래프이다.
도 20은 본 발명의 실시형태에서 사용하는 매칭(정합) 회로 내, T형 정합 회로의 전기 회로도의 일례를 나타낸 도이다.
도 21은 본 발명의 실시형태에서 사용하는 매칭(정합) 회로 내, 역 L형 정합 회로의 전기 회로도의 일례를 나타낸 도이다.
"제1 실시형태"
본 발명의 플라즈마 처리 장치의 각 실시형태에 대하여, 도면에 기초하여 설명한다.
도 1은 기본적인 구조의 유도 결합형 플라즈마 처리 장치(A)를 나타내는 단면도이고, 도 2는 본 발명에 따른 제1 실시형태의 유도 결합형 플라즈마 처리 장치(B)를 나타내는 단면도이다.
플라즈마 처리 장치(A, B)는 액정 디스플레이(LCD)나, 유기 EL 디스플레이(OLED) 등의 플랫 패널 디스플레이의 제조 프로세스 중에서, 플라즈마에 의한 드라이 에칭 등의 처리를 행하는 플라즈마 처리 장치이다.
플라즈마 처리 장치(A, B)는 진공 용기(11)와, 유전체 창(12)과, 배기 펌프(13)와, 제2 전극(하부 전극)(14)과, 제1 전극(유도 결합 안테나)(15)과, 고주파 실드(16)에 의해 구성되어 있다. 진공 용기(11)는 금속제이고 내부의 압력이 제어 가능하다. 유전체 창(12)은 진공 용기(11)의 상면에 마련되고, 전자파를 투과한다. 배기 펌프(13)는 진공 용기(11) 내를 배기하고 소망하는 진공도, 예컨대 0.1~100Pa 정도로 압력을 유지 가능하게 하고 있다. 하부 전극(14)은 진공 용기(11) 내에 마련되어, 상면(일 주면)에 플라즈마 처리를 행하기 위한 기판(피처리물)(S)을 재치하는 알루미늄 등의 도전성 재료를 포함한다. 유도 결합 안테나(15)는, 하부 전극(14)에 대응하여 유전체 창(12)의 상방에 배치된 유도 결합을 형성하기 위한 안테나를 포함한다. 고주파 실드(16)는 안테나의 주변을 덮는, 알루미늄 등의 금속제의 도전성 재료를 포함한다.
유전체 창(12)은 유도 결합 안테나(15)로부터 방사되는 전자파를 투과시키고, 진공 용기(11) 내에 전자파를 방사시켜, 진공 용기 내에 고밀도 플라즈마를 형성시키는 것으로, 석영이나 세라믹 등의 유전체에 의해 구성되어 있다.
진공 용기(11)에는, 이 진공 용기(11) 내에 처리 가스를 도입하기 위한 처리 가스 도입구(21)가 설치되고, 이 처리 가스 도입구(21)에는 피처리 기판에 대한 플라즈마 처리를 실시할 때에 적합한 각종 가스의 공급 수단(도시하지 않음)이 접속된다. 이 처리 가스 도입구(21)로부터 진공 용기(11)에 각종 처리 가스가 도입되고, 진공 용기(11) 내를 소망하는 압력으로 조정하기 위한 자동 압력 조정 밸브(도시하지 않음)에 의해, 각 처리 조건에 최적인 압력으로 조정할 수 있도록 되어 있다.
진공 용기(11)의 저부(底部)에는 배기관(20)을 개재하여 배기 펌프(13)가 접속되어 있으므로, 진공 용기(11)의 내부를 배기할 수 있고, 플라즈마 처리 중의 진공 용기(11)의 압력을 설정된 소망하는 압력으로 조정·유지할 수 있다. 진공 용기(11)의 측벽에는 게이트 밸브(27)가 마련되어, 기판(S)을 반입할 수 있도록 되어 있다.
또한, 제2 전극(하부 전극)(14)에는 바이어스용의 제2 고주파(RF) 전원(25)으로부터, 제2 매칭 박스(바이어스용 정합기)(24)를 개재하여, 1~100MHz 정도의 고주파 전력이 공급된다. 하부 전극(14)의 주변에는, 하부 전극(14)과 진공 용기(11)와의 사이의 절연을 유지하기 위한, 절연 부재(19)가 설치되어 있다.
유도 결합 안테나(15)는 진공 용기(11) 내에 고주파 전자파를 방사하여, 소망하는 처리 가스와 소망하는 처리 압력에서, 플라즈마를 여기·해리·전해시켜 고밀도 플라즈마를 발생시키는 것이다.
도 3에 나타내는 바와 같이, 유도 결합 안테나(15)는 예컨대, 구리판 등의 도전성 재료를 포함하는 평면상의 코일 안테나(31)로부터 구성된다. 유도 결합 안테나(15)는 기본적인 구조에서는 도 1에 나타내는 바와 같이, 안테나 코일의 일단이 제1 매칭 박스(ICP용 정합기)(22)에 접속된다. 한편, 안테나 코일의 타단(안테나 종단 측)은 직접 또는 도 1에 나타내는 가변 콘덴서(34) 등을 개재하여, GND 전위에 접속된다. 제1 매칭 박스(22)에는 제1 고주파(RF) 전원(23)으로부터, 1MHz~40MHz 정도의 고주파(RF) 전력이 공급되고, 제1 매칭 박스(22)를 개재하여, 유도 결합 안테나(15)에 RF 전력이 공급된다.
하부 전극(14)의 내부에는 피처리물의 기판(S)의 배면에 냉각용의 열전달 가스(He 등)를 공급하기 위한 He 가스 통로가 내장되어 있다. 하부 전극(14)은 He 가스 도입부(26)로부터 He 등의 열전달 가스를 도입함으로써, 플라즈마 처리 중의 기판(S)의 온도 상승을 억누를 수 있다. 하부 전극(14)과 기판(S)의 사이에는 기판 흡착을 위한 DC 전압용 전극(도시하지 않음)이 있고, DC 전압을 인가함으로써, 기판(S)을 흡착하여 기판의 냉각 효율을 높일 수 있다.
액정 디스플레이(LCD)나 유기 EL 디스플레이(OLED) 등의 표시 장치의 제조 프로세스 중에서는, 이하의 처리가 행하여짐으로써, 플라즈마 처리 장치(A, B)를 이용하여 플라즈마 처리가 행하여진다. 먼저, 게이트 밸브(27)가 열리고, 이어서, 피처리물의 기판(S)이 기판 반송 로봇에 의해 도시하지 않은 진공 반송실로부터 진공 용기(11)에 반입된다.
이어서, 기판 수취·전달 기구(도시하지 않음)에 의해 기판(S)이 하부 전극(14) 표면의 기판 재치대의 상에 이송된다. 게이트 밸브(27)가 닫히고, 처리 가스 도입 도입구(21)로부터 처리 가스가 도입된다. 다음으로, 배기 펌프(13)에서 배기가 행하여지면서, 진공 용기(11) 내가 소망하는 압력, 예컨대 0.1~100Pa 정도로 조정·유지된다. 이어서, 제1 고주파 전원(23)에 의해 안테나(15)에 고주파가 인가된다. 이때, 유도 결합 안테나(제1 전극)(15)로부터, 유전체 창(12)을 투과하여 진공 용기(11) 내에 전자파가 방사되고, 진공 용기(11) 내에 플라즈마가 발생한다. 플라즈마 처리용 가스는, 플라즈마 중에서 해리되고, 화학적으로 활성인 라디칼이나 전리된 이온이 되어, 피처리 대상인 기판(S)에 플라즈마 처리를 실시한다.
기본적인 구조의 유도 결합형 플라즈마 처리 장치(A)(도 1)에서, 유도 결합 안테나(15)는 코일 안테나(31)와 안테나 종단 측의 가변 콘덴서(34)를 직렬로 접속 되어 있다. 또한 기본적인 구조의 유도 결합형 플라즈마 처리 장치(A)(도 1)에서 유도 결합 안테나(15)는, 안테나 종단 측 가변 콘덴서(34)를 개재하여, GND에 접속 되어 있다.
플라즈마 처리 시의 코일 안테나(31)의, RF 급전부 측의 RF 전위(V0-P')는 다음의 식 (2)로 나타난다. 식 (2)에서 I'는 제1 고주파 전원(23)에 의해 코일 안테나(31)에 고주파 전력을 급전하였을 때의 코일 안테나(31)에 흐르는 전류를 나타낸다. 식 (2)에서 ω는 공급되는 고주파 전력의 각주파수를 나타낸다. 식 (2)에서 L1은 코일 안테나(31)의 자기 인덕턴스를 나타낸다. 식 (2)에서 C1은 코일 안테나(31)에 직렬 접속되는 콘덴서(34)의 정전 용량을 나타낸다.
Figure pct00002
플라즈마 처리의 경우의 코일 안테나(31)와 코일 안테나(31)에 직렬 접속된 콘덴서(34)에서의 코일 안테나(31)의 RF 전위 분포의 이미지를 도 5에 나타낸다.
코일 안테나(31)의 타단부에는 직렬로 콘덴서(34)가 접속되고, 그 후 접지 전위에 접속되어 있다. 그 때문에, 코일 안테나(31)의 RF 급전부의 RF 전위(V0-P')는 콘덴서의 용량에 따른 전위로 저하하는 것이 가능하다.
그러나, 코일 안테나(31)가 커져서, 코일 안테나(31)의 길이가 길어지면, 비례하여 코일 안테나(31)의 자기 인덕턴스(L)도 증대한다. 그 때문에 직렬 콘덴서의 용량에 의한 코일 안테나(31)의 RF 전위(V0-P')의 저하에도 한계가 있고, 코일 안테나(31)의 RF 전위가 상승하는 문제가 있었다.
(코일 안테나 종단부 개방단의 효과에 대한 설명)
본 발명의 제1 실시형태에서의 플라즈마 처리 장치(B)를 도 2에 나타낸다. 도 2에서 코일 안테나(31)는 일단(안테나 RF 입력부(32))을 제1 매칭 박스(22) 내부의 정합 회로를 개재하여 제1 고주파 전원(23)에 접속되고, 타단은 개방단(33)에 접속되어 있다. 또한, 코일 안테나(31)의 일단 측에는 고주파 전력 급전 측과 병렬이 되도록 임피던스 조정 회로(18)가 접속되어 있다.
코일 안테나(31)의 종단부를 개방단(33)으로 한 경우, 개방단 부분에서는 코일 안테나(31)의 RF 전위는 배(腹)와 같은 상태가 된다. 그 때문에, 개방단 부분에서의 RF 전위(V)가 상승하고, 코일 안테나 급전부에서의 RF 전위 VP-0''는, 종래와 같은 코일 안테나(31)에 직렬의 콘덴서(34)를 개재하여 접지 전위에 접속하는 경우에 비하여, 약 1/3 이하로 저감할 수 있다. 이것은 후술하는 시험 결과 등에 의해 판명되어 있다.
이 경우의 코일 안테나(31)와 안테나 종단부 개방단(33)에서의 코일 안테나(31)의 RF 전위 분포의 이미지를 도 6에 나타낸다.
또한, 실제로 코일 안테나(31)에 RF 전력을 공급하여, 플라즈마를 생성하였을 때의, 실시예 1의 처리 장치에서의 RF 전위 V0-P''와, 기본형 처리 장치에서의 RF 전위 V0-P''와의 실제 측정값을 이하의 표 1에 나타낸다. 실시예 1의 처리 장치에서의 RF 전위 V0-P''는 기본적인 구조의 플라즈마 장치(A)(실시예 1)에서의 코일 안테나 급전부의 RF 전위 V0-P''이다. 기본형 처리 장치에서의 RF 전위 V0-P''는 본 발명의 제1 실시형태의 플라즈마 처리 장치(B)(기본형)에서의 RF 전위 V0-P''이다.
[표 1]
Figure pct00003
표 1의 결과는, 본 발명의 실시예 1의 플라즈마 처리 장치에서의 코일 안테나(31) 급전부의 RF 전위(VP-P=V0-P×2)가 종래형의 처리 장치에서의 코일 안테나(31) 급전부의 RF 전위(VP-P=V0-P×2)와 비교하여, 약 30% 이하의 값까지 대폭 저감하고 있는 것을 나타낸다.
표 1의 결과는 앞서 기술한, 대형 플라즈마 처리 장치에 대한 요구 과제의 (4)에 기재의 코일 안테나(31)의 RF 전위를 낮게 억제하는 것을, 본 발명의 실시예의 장치가 가능하게 한 것을 나타낸다. 또한 표 1의 결과는 본 발명의 실시예의 장치는, 코일 안테나 하의 유전체 창(12)의 플라즈마로부터의 이온 어택에 의한 깎임을 억제하고, 유전체 창(12)의 이온 어택으로 발생하는 이물(파티클)의 양을 저감 가능한 것을 알 수 있다.
실제로, 안테나 하의 유전체 창의 플라즈마로부터의 이온 어택에 의한 깎임양의 비교를 실시하기 위하여, 평가용 유리칩을 부착하여, 플라즈마로부터의 이온 어택에 의한 SiO2막의 깎임양의 평가를 행하였다. 평가용 유리칩은 표면에 산화 규소 (SiO2)의 박막이 부착된 유리 기판이다. 평가할 때, 평가용 유리칩은 진공 용기(11)의 내부의 유전체 창(12)의 플라즈마에 노출되는 진공 용기 측에(유전체 창(12)의 하측에) 부착되어 있었다.
그 상세에 대하여 도 8과 이하의 표 2에 나타낸다.
[표 2]
Figure pct00004
도 8과 표 2에 나타내는 결과는, 본 발명의 실시예에서는 기본형의 유도 결합 플라즈마 처리 장치와 비교하여, 유전체 창 하의 평가용 SiO2의 깎임양(에칭 레이트)는 13.5%로 저감하고 있는 것을 나타낸다. 또한, 도 8과 표 2에 나타내는 결과는, 피처리 대상의 유리 기판의 SiO2 박막의 깎임양(에칭 레이트)에는 변화가 보여지지 않는 것도 나타낸다.
이 결과는, 플라즈마 처리 장치(B)가, 플라즈마 처리에 따른 피처리 대상의 유리 기판의 박막 에칭 처리 성능은 유지한 채, 이물(파티클)의 발생 원인이 되는 유전체 창(세라믹 등)의 깎임양을 크게 저감하는 것이 가능하다는 것을 나타낸다.
또한, 본 실시예의 실시 중에, 코일 안테나(31)의 코일 종단부(개방단)(33)에서, RF 전위의 상승에 의해, 고 RF 전력을 투입하였을 때에, 기중 방전(아킹)이 발생하는 경우가 있었다. 이 기중 방전(아킹)을 방지하기 위해서는, 도 9에 나타내는 바와 같이, 코일 안테나 세그먼트(39)의 종단부(개방단)를 세라믹이나 절연 수지 등의 절연체(40)로 피복하는 구조(도 9(A) 참조)가 유효하다. 또한, 이 기중 방전(아킹)을 방지하기 위해서는, 도 9(B)에 나타내는 구조를 채용하는 것도 유효하다. 도 9(B)에 나타내는 구조는, 구체적으로는 코일 안테나 세그먼트(39)의 종단부(개방단)를 세라믹이나 수지 등의 절연 재료로 만들어진 지지 부재(절연체)(41)를 개재하여, 코일 안테나 근처의 구조물(42)로 지지하는 구조이다.
또한, 이와 같은 코일 안테나 세그먼트(39)를 피복하는 절연 재료나, 지지하기 위한 절연 재료로서는 비유전율(εr)이 낮고, 유전 정접(Tanδ)이 낮은 재료가 바람직하다. 예컨대, 수지 재료로서는 PTFE(상품명: 테프론(등록 상표), εr=2.2, Tanδ=0.0002)나, 폴리에테르이미드(상품명: 울템 외, εr=3.15, Tanδ=0.0013), 폴리이미드(상품명: 카프톤 외, εr=3.7, Tanδ=0.0013) 세라믹 재료로서는 스테아타이트(εr=5.2~6.2, Tanδ=7~13e-4 )이나, 알루미나세라믹(εr=9~10, Tanδ=4e-4) 등이 적합하다.
이어서, 본 제1 실시형태에서, 코일 안테나의 RF 급전 측에, 코일 안테나에 병렬인 임피던스 조정 회로를 접속하였을 때의, 안테나와 임피던스 조정 회로와의 합성 임피던스에 대하여 조사한 결과를 나타낸다.
조사 결과의 일례를 이하의 표 3에 나타낸다. 표 3의 측정 결과는 가변 콘덴서(35)의 용량을 바꾸었을 때의 코일 안테나와 임피던스 조정 회로의 합성 임피던스의 측정 결과이다. 측정에서 가변 콘덴서(35)는 도 4에 나타내는 바와 같이, 안테나 코일(31)에 병렬인 임피던스 조정 회로로서, 종단부가 개방단인 안테나 코일(31)의 RF 급전 측(안테나 RF 입력부(32))에 접속되어 있었다.
[표 3]
Figure pct00005
표 3에 기재된 합성 임피던스의 측정 결과는,
(1) 50pF의 경우... 합성 임피던스의 리액턴스는 유도성 부하,
(2) 80pF~(4) 150pF의 경우... 합성 임피던스의 리액턴스 성분은 용량성 부하,
(5) 250pF~(6) 400pF의 경우... 합성 임피던스의 리액턴스 성분은 유도성 부하인 것을 나타낸다.
즉, 가변 콘덴서(35)는 직렬 리액턴스를 크게 변화시킬 수 있다는 것을 알 수 있다.
이와 같이, 코일 안테나(31)의 RF 급전 측(안테나 RF 입력부(32))에, 코일 안테나(31)에 병렬인 임피던스 조정 회로(18)(가변 콘덴서(35))가 접속된 경우, 합성 임피던스가 유도성 부하로부터 용량성 부하까지 조정 가능하다. 그 때문에, 이와 같은 경우, 가변 콘덴서(35)는 코일 안테나(31)에 흐르는 RF 전류의 양을 조정 가능하다.
이는 정합기(22)에서 본 안테나 부하의 임피던스를 병렬 공진점으로부터 직렬 공진점에 가까운 임피던스로 함으로써 코일 안테나(31)에 흐르는 전류를 극대화하고, 플라즈마 밀도를 최대한으로 높이는 것이 가능해지는 것에 의한다. 또한, 병렬 공진점은 코일 안테나(31)로부터 병렬의 가변 콘덴서(35)로의 순환 전류가 최대인 임피던스이다. 또한, 직렬 공진점은 부하에 유입하는 전류가 최대인 임피던스이다. 정합기(22)에서 본 안테나 부하의 임피던스를 병렬 공진점으로부터 직렬 공진점에 가까운 임피던스로 하는 것은, 구체적으로는 코일 안테나(31)의 입력 측의 병렬 내장 가변 콘덴서(35)의 용량을 조정함으로써 실현된다.
또한, 상술의 효과를 얻기 위해서, 코일 안테나(31)의 길이는 RF 주파수의 파장 λ의 1/2 미만인 것이 바람직하고, 파장 λ의 1/4 미만인 것이 보다 바람직하다. 코일 안테나(31)의 길이가 상술의 범위를 초과하면 이하와 같은 문제가 발생한다.
1) 코일 안테나(31)의 양단(안테나 RF 입력부(32)와 타단의 개방단(33)) 사이에 걸리는 RF 전압이 상승하고, 개방단(33)에 가까운 안테나부에서 기중 방전(아킹)의 문제가 발생하기 쉬워진다.
2) 안테나 상에 분포하는 RF 전압이나 RF 전류가 정재파(定在波) 분포에 가까워지고, 안테나 상의 전압의 최대·최소의 부분에서는 유전체 창의 플라즈마로부터의 이온 어택에 의한 깎임양에 차가 커진다. 또한 RF 전류 최대·최소 부분에서는 그 아래에 생성되는 플라즈마 강도의 차가 커져 버린다.
3) 코일 안테나(31)와 병렬인 임피던스 조정 수단의 가변 콘덴서(35)의 용량을 매우 낮은 값(예: 50pF 이하)으로 하지 않으면, 합성 임피던스를 병렬 공진점으로부터 직렬 공진점에 가까운 임피던스까지 조정하는 것을 할 수 없게 된다. 특히 저용량의 콘덴서의 경우, 안테나 자체의 기생 용량(부유 용량)의 영향이 커지기 때문에, 제어가 어렵다.
상기와 같은 문제를 방지하기 위해서는, 코일 안테나(31)의 길이로서는 RF 주파수의 파장 λ의 1/2 미만인 것이 바람직하고, 1/4 이하가 보다 바람직하다.
또한, 이 경우의 코일 안테나(31)의 길이란, 안테나의 RF 급전부(안테나 RF 입력부(32))로부터 안테나 개방단(33)까지의 총 연장 길이(코일을 1차원으로 늘렸을 때의 길이)를 가리킨다.
또한, 안테나로부터 방사되는 자계 강도는 코일의 권수 n에 비례하므로 코일의 길이가 짧을수록 권수 n이 적어진다. 그 때문에, 코일 안테나(31)의 길이가 지나치게 짧은 경우, 후술하는 식에서 코일 안테나(31)로부터 방사되는 자계 강도의 식 (1)에 따라, 코일 안테나(31)로부터 방사되는 자계 강도가 약해진다. 그 결과, 플라즈마 밀도가 저하된다. 또한, 대면적의 플라즈마를 생성하기 위해서는 일정한 크기(장변과 단변의 길이)의 코일 안테나(31)가 필요하고, 그러기 위해서는 일정 이상의 안테나 길이가 필요하다.
코일 안테나(31)에 흐르는 RF 전류와, 코일 안테나(31)로부터 방사되는 전자파의 강도는 하기 식 (1)로부터 비례 관계에 있기 때문에, 흐르는 전류가 많아지면 코일 안테나(31)로부터 방사되는 RF 전자파가 강해진다. 그 결과, 유전체 창(12)을 개재하여 코일 안테나(31)의 아래에 생성되는 플라즈마의 밀도가 높아지고, 반대로 RF 전류가 적어지면, 코일 안테나(31)의 하에 생성되는 플라즈마 밀도가 약해진다.
코일 안테나로부터 방사되는 전장 강도 H는 이하의 식 (1)로 나타난다.
Figure pct00006
식 (1)에서, I는 코일 안테나에 흐르는 전류(순시값)이고, 코일 안테나로부터 방사되는 자장의 강도는 코일 안테나에 흐르는 전류 I에 비례 관계에 있다. 또한, 식 (1)에서 a는 코일 안테나의 반경, x는 코일 안테나의 중심으로부터의 거리, n은 코일 안테나의 권수(턴 수)를 각각 나타낸다.
이 결과를 바탕으로, 대면적 기판의 플라즈마 처리 장치에 대응을 행하기 위해, 코일 안테나의 병렬 수를 늘리고, 플라즈마 생성 영역을 넓힌 경우의 실시예에 대하여 이하에 나타낸다.
"제2 실시형태"
도 11은, 도 4로 대표되는 제1 실시형태의 코일 안테나(31)와 코일 안테나(31)와 병렬인 임피던스 조정 수단(18)(예: 가변 콘덴서(35))을 접속한 것을 4개 병렬로 배치하였을 때의 평면도이다. 도 11에서는 코일 안테나(36), 가변 콘덴서(37)로서 나타내고 있다.
도 11에서, 코일 안테나(36(a), 36(b), 36(c), 36(d))는 각각 전후 좌우에 이웃하는 코일 안테나가 서로 역권(逆券)의 배치로 되어 있다.
이하, 전후 좌우에 이웃하는 코일 안테나가 서로 역권의 배치가 되는 것에 따른 효과를 설명한다.
복수의 코일 안테나(36)를 배치할 때에는, 단순히 동일 평면 내에 배치하는 것만으로는 복수의 코일 안테나(36(a)~(d))로부터 발생하는 유도 전자계가 서로 간섭을 일으켜, 생성되는 플라즈마가 불안정해진다. 또한 평면 내에 배치된 코일 안테나(36)의 감는 법이 같은 방향으로 감는 경우 1개의 고주파 전원(23)으로부터 복수의 코일 안테나(36)에 급전하면, 이웃하는 코일 안테나(36)에 흐르는 전류의 방향이 역방향이 된다. 그 때문에, 코일 안테나(36)로부터 방사되는 유도 자장이 전류 역방향의 개소에서 서로 약해지는 방향으로 작용하고, 그 개소에서 플라즈마가 약해지는 경향이 있다.
그러나, 코일 안테나(36)의 감는 법이 전후 좌우에서 역권임으로써, 이웃하는 코일 안테나(36)에 흐르는 전류의 방향이 동 방향이 되어, 코일 안테나(36)로부터 방사되는 유도 자장이 전류 동 방향의 개소에서 서로 강해지는 방향으로 작용한다. 그 결과, 대면적에서 균일한 플라즈마를 생성할 수 있다. 이 때문에, 전후 좌우에 이웃하는 코일 안테나가 서로 역권의 배치가 됨으로써, 대면적 플라즈마 처리 장치에 대한 요구 과제 (2)에 대응이 가능해진다.
또한, 도 12는 4개 병렬로 배치된 코일 안테나(36((a)~(d))에 대하여, 2개의 임피던스 조정 수단(예: 가변 콘덴서(37))을 2개의 코일 안테나(36)의 RF 입력부에 대하여 1개 병렬로 접속하였을 때의 평면도이다. 이와 같이 필요에 따라 코일 안테나(36)에 병렬로 접속되는 임피던스 조정 수단(가변 콘덴서(37))의 수를 조정할 수 있다.
도 13은 코일 안테나(36)와 안테나 소자와 병렬인 임피던스 조정 수단(예: 가변 콘덴서(37))을 접속한 것을 16개 병렬로 배치하였을 때의 평면도이다.
고주파 전력은, 제1 고주파 전원(23)에 접속된 제1 매칭 박스(도시되지 않음)로부터 RF 전력 분배 경로(17)를 경유하여, 복수의 각 코일 안테나(36(a)~36(p)) 에 공급된다.
안테나 급전부에는 복수의 임피던스 조정 수단(예: 가변 콘덴서((37(a)~37 (p))가 병렬로 접속되어 있다.
이 임피던스 조정 수단의 임피던스를 조정함으로써, 대면적 기판의 플라즈마 처리 장치에서의 플라즈마의 면내 분포의 조정이 자재로 가능해진다. 이 때문에, 대면적 플라즈마 처리 장치에 대한 요구 과제 (3)에 대응이 가능해진다.
도 14는 4개 병렬로 배치된 코일 안테나(36(a)~(d))에 대하여, 2개의 임피던스 조정 수단(예: 가변 콘덴서(37))을 2개의 코일 안테나(36)의 RF 입력부에 대하여 1개 병렬로 접속하였을 때의 평면도이다. 도 14에 나타내는 바와 같이 가변 콘덴서(37)의 설치 개수를 삭감하여도 된다.
도 15는 제2 실시형태의 유도 결합형 플라즈마 처리 장치(C)의 요부를 나타내는 단면도이다. 도 15에서는, 종단부가 개방단(33)으로 된 코일 안테나(36)((36 (a)~36(d))의 RF 입력 측에 코일 안테나(36)에 병렬로 접속된 임피던스 조정 수단 으로서, 가변 콘덴서(37((37(a)~37(h))가 사용되어 있다. 이하, 도 15를 이용하여 플라즈마 분포의 조정 방법에 대하여 설명한다.
표 3에 나타낸 합성 임피던스의 측정 결과로부터, 안테나 소자 입력 측의 가변 콘덴서(37)의 용량을 저용량으로부터 고용량으로 용량을 높인 경우, 합성 임피던스의 직렬 리액턴스 성분은 낮아져 간다. 따라서, 가변 콘덴서(37)의 용량을 높인 경우, 코일 안테나(36)에 흐르는 전류가 다른 코일 안테나에 흐르는 전류보다 증대하기 때문에, 코일 안테나(36)의 하에 생성되는 플라즈마의 밀도가 높아진다. 즉, 대면적의 플라즈마에서 플라즈마의 분포를 자재로 조정 가능해진다.
제2 실시형태의 플라즈마 처리 장치(C)(도 16에서는 B 타입으로 표시)에서 각 코일 안테나((36(a)~(p))에 병렬로 접속된 가변 콘덴서(37(a)~37(p))의 각 용량을 바꾸었을 때의 플라즈마 발광 분광(OES)의 발광 강도의 비교 데이터를 도 16에 나타낸다. 보다 구체적으로는, 도 16은 산소 플라즈마에서의 산소 이온(O2+)과 산소 라디칼(O*)의 각 파장에서의, 플라즈마 발광 분광(OES)의 발광 강도의 비교 데이터를 나타낸다.
도 16은, 가변 콘덴서(37(a)~(p))의 각 용량(모두 동일 용량으로 하였음)이 80pF일 때에, 가장 산소 라디칼(O*)의 파장(844.8nm)에서의 발광 강도가 강한 것을 나타낸다. 이는 이 조건일 때에 코일 안테나로부터 생성되는 유도 전자계가 가장 강해지고, 플라즈마의 해리가 진행되어, 산소 플라즈마 중의 산소 라디칼(O*)의 수 밀도가 증가하였기 때문으로 추측된다.
제2 실시형태의 유도 결합 플라즈마 처리 장치(C)와 기본형의 유도 결합 플라즈마 처리 장치(A)에서의 산소 플라즈마 밀도의 측정 결과를 도 17~도 19에 나타낸다. 산소 플라즈마의 측정은, 랭뮤어 증명을 사용하고, 동일한 플라즈마 생성 조건(가스 유량·압력·고주파 전력 등 조건)에서, 생성되는 플라즈마 밀도의 비교를 실시하였다.
그 결과, 제2 실시형태의 플라즈마 처리 장치(C)의 플라즈마 밀도는 기본형의 유도 결합형 플라즈마 처리 장치(A)의 플라즈마 밀도에 대하여, 40% 이상의 상승이 관측되었다. 특히, 처리 압력이 높은 조건(20~30mTorr: 도 18, 도 19 참조)에서, 본 실시형태에서의 플라즈마 밀도는 최대로 90%의 플라즈마 밀도 상승이 확인되었다.
이는 제2 실시형태의 플라즈마 처리 장치(C)가 보다 고밀도의 플라즈마가 생성 가능한 고밀도 플라즈마 생성 기구인 것을 의미한다. 이에 의해, 대면적 플라즈마 처리 장치에 대한 요구 과제 (1)에 대응이 가능해진다.
플라즈마 처리 장치는 플라즈마 처리를 행하기 위한 처리 레시피의 각 처리 스텝에서 각종 값을 설정하는 것이 가능하다. 플라즈마 처리 장치는 코일 안테나(36)에 병렬인 임피던스 조정 회로의 조정에서, 사전에 임의의 임피던스 조정 회로의 값(예: 가변 콘덴서의 용량의 값 등)을 설정한 임피던스 조정값의 파라미터 설정을 이용하여도 된다. 이와 같은 경우, 플라즈마 처리 장치는 각 처리 스텝에서 최적인 플라즈마 분포나 플라즈마 강도를 선택하는 것이 가능한 처리 장치로서 동작한다.
이에 의해, 다양한 플라즈마 처리의 어플리케이션에 대하여, 간단하게 플라즈마의 강약, 밀도 분포가 조정 가능해진다. 이 때문에, 대면적 플라즈마 처리 장치에 대한 요구 과제 (5)에 대응이 가능해진다.
플라즈마 처리 장치에서, 코일 안테나 군의 각각의 코일 안테나의 RF 급전부로부터 종단 개방단부에 이르기까지의 경로의 도중에서, 각각의 코일 안테나에 흐르는 RF 전류를 계측 가능한 전류계를 설치하여 둘 수 있다. 이에 의해, 코일 안테나의 전류값으로부터 코일 안테나에 병렬로 접속된 임피던스 조정 회로의 임피던스를 조정 가능해지므로, 플라즈마 분포 조정의 재현성 확보와 조정 시간의 단축이 가능해진다.
또한, 코일 안테나 군의 어느 코일 안테나나 임피던스 조정 회로의 어느 제어 기구에 문제가 발생한 경우, 순시에 문제를 검출하여, 기판(S)의 플라즈마 처리를 중단하고, 알람을 발령함으로써, 기판(S)의 처리 불량을 미연에 방지하는 것이 가능하게 된다.
플라즈마 처리 장치에서, 본 실시예에서의 코일 안테나(36)와 병렬로 접속된 임피던스 조정 장치에 의해, 합성 임피던스의 리액턴스 성분이 용량성 부하로부터 유도성 부하까지 변화하는 것에 대응 가능한, 정합 회로를 마련하여도 된다.
도 20에 제1 매칭 박스(22)에 마련되는 정합 회로로서 T형 정합 회로를 사용하였을 때의 정합 회로망과, 13.56MHz의 RF 고주파를 사용한 경우의 정합 범위의 일례를 나타낸다.
T형 정합 회로에서는 도 20에 나타내는 스미스 차트로부터 알 수 있듯이 정합 범위가 용량성 부하의 임피던스로부터 유도성 부하의 임피던스까지 커버하는 것이 가능하다. 본 실시예에서, T형 정합 회로는 병렬로 접속된 임피던스 조정 수단(18)에 의해 변화하는 합성 임피던스의 변화에 대하여 대응 가능해진다. T형 정합 회로에서는 주 회로에 직렬 코일이 마련되어 있다.
도 20에 나타내는 예에서는 직렬 접속한 가변 콘덴서(VC-1, VC-2)의 사이에 인덕턴스 회로(23)를 병렬 접속하여 정합 회로가 구성되어 있다.
도 21에 제1 매칭 박스(22)에 마련되는 정합 회로로서 역 L형 정합 회로(주 회로에 직렬 코일을 갖는 것)을 사용하였을 때의 정합 회로망과, 13.56MHz의 RF 고주파를 사용한 경우의 정합 범위의 예를 나타낸다.
역 L형 정합 회로의 경우도, 도 21에 나타내는 스미스 차트로부터 알 수 있듯이 정합 범위가 용량성 부하의 임피던스로부터 유도성 부하의 임피던스까지, 부하 임피던스를 커버하는 것이 가능하다. 본 실시예에서의 역 L형 정합 회로는 합성 임피던스의 변화에 대해서도 대응 가능한 플라즈마 처리 장치를 제공할 수 있다.
도 21에 나타내는 예에서는 직렬 접속한 가변 콘덴서(VC-2)와 인덕턴스 회로(23)에 대하여 가변 콘덴서(VC-1)를 병렬 접속하여 정합 회로가 구성되어 있다.
A: 기본형의 플라즈마 처리 장치, B: 실시형태의 플라즈마 처리 장치,
11: 진공 용기, 12 : 유전체 창, 13: 배기 펌프(진공 펌프), 14: 하부 전극 (제2 전극), 15: 안테나(제1 전극),
16: RF 실드, 17: RF 전력 분배 경로,
18: 안테나 급전 측의 임피던스 조정 회로,
19: 하부 전극 절연부,
21: 처리 가스 도입구, 22: 제1 매칭 박스(정합 회로),
23: 제1 고주파(RF) 전원, 24: 제2 매칭 박스(정합 회로),
25: 제2 고주파(RF) 전원, 26: He 가스 도입부,
27: 게이트 밸브,
31: 코일 안테나, 32: 안테나 RF 입력부,
33: 안테나 종단부(개방단), 34: 안테나 종단 측의 가변 콘덴서, 35: 안테나 입력 측의 가변 콘덴서,
36a~36p: 집합체 안테나의 각 코일 안테나,
37a~37p: 집합체 안테나의 각 입력 측 가변 콘덴서,
38: 콘덴서, 39: 코일 안테나 세그먼트,
40: 안테나 개방단부의 절연체, 41: 지지 부재(절연체),
42: 안테나 근처의 구조물,
S:　기판(피처리물), VC-1, VC-2: 가변 콘덴서

Claims (11)

  1. 내부의 압력이 제어 가능한 진공 용기와, 상기 진공 용기 내에 가스를 공급하는 가스 공급 수단과, 상기 진공 용기 내에 마련되고, 상면에 기판을 재치하는 하부 전극과, 이 하부 전극에 대향 배치된 유도 결합을 형성하기 위한 안테나를 갖는 플라즈마 처리 장치로서,
    상기 유도 결합을 형성하는 상기 안테나는, 일단을 정합 회로를 개재하여 고주파 전력을 공급하는 고주파 전원에 접속하고, 타단을 개방단으로 하며,
    상기 안테나의 길이가 RF 주파수의 파장(λ)의 1/2λ 미만이고, 상기 안테나의 고주파 전력 급전 측에, 상기 안테나에 병렬인 임피던스 조정 회로를 접속하며,
    상기 임피던스 조정 회로에 의한 합성 임피던스의 리액턴스 성분을, 상기 안테나에 공급되는 RF 주파수에 대해, 용량성 부하로부터 유도성 부하까지 조정 가능하게 하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 임피던스 조정 수단이 가변 콘덴서이고, 사용하는 어플리케이션에 의해 상기 가변 콘덴서의 용량을 최적화하며, 상기 임피던스 조정 회로의 합성 임피던스를 상기 안테나에 공급되는 RF 주파수에 대해 조정함으로써, 플라즈마 분포의 조정, 플라즈마 밀도의 조정을 자재(自在)로 한 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 유도 결합을 형성하는 안테나가 스파이럴 형상의 코일 안테나이고, 그 권수(턴 수)가 적어도 2턴 이상의 권수를 갖는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 안테나의 개방단 측의 부분이 전위의 상승에 의한 기중 방전(아킹) 방지용의 절연체로 피복되거나, 또는 절연체를 개재하여 근처의 구조물에 지지된 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
  5. 내부의 압력이 제어 가능한 진공 용기와, 상기 진공 용기 내에 가스를 공급하는 가스 공급 수단과, 상기 진공 용기 내에 마련되고, 상면에 기판을 재치하는 하부 전극과, 이 하부 전극에 대향 배치된 유도 결합을 형성하기 위한 안테나를 갖는 플라즈마 처리 장치로서,
    상기 안테나가, 일단을 정합 회로를 개재하여 고주파 전력을 공급하는 고주파 전원에 접속하고, 타단을 개방단으로 한 복수의 안테나 소자가 집합한 집합체 안테나이며,
    상기 안테나의 길이가 RF 주파수의 파장(λ)의 1/2λ 미만이고,
    상기 정합 회로로부터 상기 복수의 안테나까지의 사이에, RF 전력을 분배 공급하기 위한 RF 전력 분배 경로를 가지며, 상기 RF 전력 분배 경로와 각각의 안테나의 RF 급전 측의 사이에, 상기 안테나에 병렬인 임피던스 조정 회로가 적어도 하나 이상의 안테나에 병렬로 접속되고, 상기 안테나 또는 안테나 군과, 상기 임피던스 조정 회로에 의한 합성 임피던스의 리액턴스 성분이 상기 안테나 또는 상기 안테나 군에 공급되는 RF 주파수에 대해, 용량성 부하로부터 유도성 부하까지 상기 임피던스 조정 수단에 의해 조정 가능한 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 임피던스 조정 수단이 가변 콘덴서이고, 사용하는 어플리케이션에 의해 상기 가변 콘덴서의 용량을 최적화하며, 상기 임피던스 조정 회로의 합성 임피던스를 상기 안테나에 공급되는 RF 주파수에 대해 조정함으로써, 플라즈마 분포 조정, 플라즈마 밀도의 조정을 자재로 한 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
  7. 제5항 또는 제6항에 있어서,
    상기 유도 결합을 형성하는 안테나가 스파이럴 형상의 안테나 코일이고, 그 권수(턴 수)가 적어도 2턴 이상의 권수를 갖는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
  8. 제5항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 안테나의 개방단 측의 부분이 전위의 상승에 의한 기중 방전(아킹) 방지용의 절연체로 피복되거나, 혹은 절연체를 개재하여 근처의 구조물에 지지된 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
  9. 제5항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 안테나 군의 각각의 안테나의 RF 급전부로부터 개방단부에 이르는 경로의 도중에, 각각의 안테나에 흐르는 RF 전류를 계측 가능한 전류계를 구비하고, 상기 안테나에 흐르는 전류값으로부터 상기 임피던스 조정 회로의 임피던스를 조정자재(調整自在)로 하여, 상기 안테나에 흐르는 전류값을 조정함으로써, 플라즈마 밀도의 면내 분포를 제어 가능하게 한 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 임피던스 조정 회로의 조정이, 플라즈마 처리를 행하기 위한 처리 레시피의 각 처리 스텝에서 설정 가능하고, 사전에 임의의 임피던스 조정 회로의 값을 설정한 임피던스 조정값의 파라미터 설정에 의해 설정 가능하게 한 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
  11. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 합성 임피던스의 리액턴스 성분이 사용하는 RF 주파수에 대해, 용량성 부하로부터 유도성 부하까지의 변화에 대응 가능한, 역 L형 정합 회로 또는 T형 정합 회로로부터 상기 정합 회로가 구성된 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
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