JP2002075881A

JP2002075881A - プラズマ処理装置

Info

Publication number: JP2002075881A
Application number: JP2000267442A
Authority: JP
Inventors: Toshiaki Hongo; 俊明本郷; Satoru Osawa; 哲大沢
Original assignee: Tokyo Electron Ltd
Current assignee: Tokyo Electron Ltd
Priority date: 2000-09-04
Filing date: 2000-09-04
Publication date: 2002-03-15
Anticipated expiration: 2020-09-04
Also published as: JP4747404B2

Abstract

(57)【要約】【課題】遅波材として比誘電率の大きい材料を用いて
波長短縮効果を増大させることによりマイクロ波放射孔
の形成ピッチや形状を小さくでき、もってプラズマ密度
の面内均一性を高めることができるプラズマ処理装置を
提供する。【解決手段】天井部に気密に装着された絶縁板72が設
けられて内部が真空引き可能になされた処理容器32と、
被処理体Ｗを載置するために前記処理容器内に設けられ
た載置台34と、前記絶縁板の上方に設けられて所定のピ
ッチで形成された複数のマイクロ波放射孔90からプラズ
マ発生用のマイクロ波を前記絶縁板を介して前記処理容器内
へ導入する平面アンテナ部材76と、前記処理容器内へ所
定のガスを導入するガス供給手段48、50とを有するプラ
ズマ処理装置において、前記平面アンテナ部材の上部
に、比誘電率が12以上の高誘電率特性を有する遅波材78
を配置するように構成する。これにより、遅波材として
比誘電率の大きい材料を用いて波長短縮効果を増大させ
ることによりマイクロ波放射孔の形成ピッチや形状を小さく
でき、もってプラズマ密度の面内均一性を高める。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体ウエハ等に
対してマイクロ波により生じたプラズマを作用させて処
理を施す際に使用されるプラズマ処理装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、半導体製品の高密度化及び高微細
化に伴い半導体製品の製造工程において、成膜、エッチ
ング、アッシング等の処理のためにプラズマ処理装置が
使用される場合があり、特に、０．１〜数１０ｍＴｏｒ
ｒ程度の比較的圧力が低い高真空状態でも安定してプラ
ズマを立てることができることからマイクロ波を用い
て、或いはマイクロ波とリング状のコイルからの磁場と
を組み合わせて高密度プラズマを発生させるマイクロ波
プラズマ装置が使用される傾向にある。このようなプラ
ズマ処理装置は、特開平３−１９１０７３号公報、特開
平５−３４３３３４号公報や本出願人による特開平９−
１８１０５２号公報等に開示されている。ここで、マイ
クロ波を用いた一般的なプラズマ処理装置を図１４乃至
図１６を参照して概略的に説明する。図１４は従来の一
般的なプラズマ処理装置を示す構成図、図１５は平面ア
ンテナ部材の部分を示す部分拡大図、図１６は平面アン
テナ部材を示す平面図である。

【０００３】図１４において、このプラズマ処理装置２
は、真空引き可能になされた処理容器４内に半導体ウエ
ハＷを載置する載置台６を設けており、この載置台６に
対向する天井部にマイクロ波を透過する例えば窒化アル
ミ等よりなる絶縁板８を気密に設けている。そして、こ
の絶縁板８の上面に図１６にも示すような厚さ数ｍｍ程
度の円板状の平面アンテナ部材１０と、必要に応じてこ
の平面アンテナ部材１０の半径方向におけるマイクロ波
の波長を短縮するための例えば誘電体よりなる遅波材１
２を設置している。この遅波材１２の上方には、内部に
冷却水を流す冷却水流路２０が形成された天井冷却ジャ
ケット２２が設けられており、遅波材１２等を冷却する
ようになっている。そして、アンテナ部材１０には多数
の略円形の貫通孔よりなるマイクロ波放射孔１４が形成
されている。このマイクロ波放射孔１４は一般的には、
図１６に示すように同心円状に配置されたり、或いは螺
旋状に配置されている。この場合、マイクロ波放射孔１
４のアンテナ部材の半径方向におけるピッチＨ１は、一
般的に遅波材１２の波長短縮効果により短縮されたマイ
クロ波の１波長程度、例えば４０ｍｍ程度に設定され、
また、このマイクロ波放射孔１４の直径Ｈ２は２０ｍｍ
程度である。そして、平面アンテナ部材１０の中心部に
同軸導波管１６の内部ケーブル１８を接続して図示しな
いマイクロ波発生器より発生した、例えば２．４５ＧＨ
ｚのマイクロ波を導くようになっている。そして、マイ
クロ波をアンテナ部材１０の半径方向へ放射状に伝播さ
せつつアンテナ部材１０に設けたマイクロ波放射孔１４
から下方の処理容器４内へマイクロ波を導入し、このマ
イクロ波により処理容器４内にプラズマを立てて半導体
ウエハにエッチングや成膜などの所定のプラズマ処理を
施すようになっている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、半導体ウエ
ハに対して面内均一にプラズマ処理を施すためには、処
理空間Ｓにてプラズマ密度ができるだけ均一に立つよう
に設定するのが望ましいが、遅波材１２として用いられ
る窒化アルミ（ＡｌＮ）の比誘電率は１０程度でそれ程
大きくはなく、従って、波長短縮効果もそれ程大きくは
ない。このため、直径３６０ｍｍ程度になされている８
インチウエハサイズ用の平面アンテナ部材１０に形成で
きるマイクロ波放射孔１４の配列は、アンテナ全面で例
えば同心円状、或いは螺旋状に３巻程度しか形成するこ
とができない。一般に、マイクロ波は、このマイクロ波
放射孔１４の部分からその直下の処理空間Ｓへ放射され
ることから、処理空間Ｓ内においてこのマイクロ波放射
孔１４の直下に対応する部分のプラズマ密度が周囲と比
較して高くなる傾向にあるが、上述のようにマイクロ波
放射孔１４の配列が３巻程度であるのでその形成密度が
粗く、この結果、その分、処理空間Ｓ内におけるプラズ
マ密度の濃度差が大きくなり、プラズマ密度を処理空間
Ｓの面内方向に均一にすることが困難になる、といった
問題点があった。

【０００５】また、処理容器４の天井部を区画する絶縁
板８も、一般的には誘電損失が比較的低い窒化アルミ
（ＡｌＮ）を用いているが、それでも誘電損失による発
生は避けられず、多くのマイクロ波の電力が、ここで誘
電損失として無駄に消費されてしまい、エネルギー効率
が低下する原因となっていた。そこで、絶縁板８として
誘電損失が少ない材料のものを用いることも考えられる
が、誘電損失が少ない材料は上記窒化アルミ程には熱伝
導率がよくないので、発生した熱が処理容器４の側壁側
にに放熱されることなく絶縁板８の内部に溜ってこれが
過度に昇温し、これがためにこの絶縁板８に接近して設
置されている半導体ウエハの温度分布に悪影響を与え
る、といった新たな問題があり、採用されるまでには至
っていない。

【０００６】本発明は、以上のような問題点に着目し、
これを有効に解決すべく創案されたものである。本発明
の目的は、遅波材として比誘電率の大きい材料を用いて
波長短縮効果を増大させることによりマイクロ波放射孔
の形成ピッチや形状を小さくでき、もってプラズマ密度
の面内均一性を高めることができるプラズマ処理装置を
提供することにある。本発明の他の目的は、絶縁板とし
て、誘電損失は小さいが熱伝導率も小さい材料を用いた
場合に、これを効率的に冷却することができるプラズマ
処理装置を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】請求項１に規定する発明
は、天井部に気密に装着された絶縁板が設けられて内部
が真空引き可能になされた処理容器と、被処理体を載置
するために前記処理容器内に設けられた載置台と、前記
絶縁板の上方に設けられて所定のピッチで形成された複
数のマイクロ波放射孔からプラズマ発生用のマイクロ波
を前記絶縁板を介して前記処理容器内へ導入する平面ア
ンテナ部材と、前記処理容器内へ所定のガスを導入する
ガス供給手段とを有するプラズマ処理装置において、前
記平面アンテナ部材の上部に、比誘電率が１２以上の高
誘電率特性を有する遅波材を配置するように構成したも
のである。

【０００８】このように、高誘電率特性を有する遅波材
を用いるようにしたので、マイクロ波に対する波長短縮
効果が向上し、このため平面アンテナ部材に設けたマイ
クロ波放射孔のピッチや大きさを小さくでき、従って、
その分、処理空間におけるプラズマ密度の面内均一性を
向上させることが可能となる。この場合、例えば請求項
２に規定するように、前記高誘電率特性を有する遅波材
は、液体、タンタル酸化物、ジルコニウム酸化物及びハ
フニウム酸化物よりなる群から選択される１つよりな
る。

【０００９】また、例えば請求項３に規定するように、
前記遅波材が液体の場合は、前記液体は液体ジャケット
内を流通されているようにしてもよい。請求項４に規定
する発明は、天井部に気密に装着された絶縁板が設けら
れて内部が真空引き可能になされた処理容器と、被処理
体を載置するために前記処理容器内に設けられた載置台
と、前記絶縁板の上方に設けられて所定のピッチで形成
された複数のマイクロ波放射孔からプラズマ発生用のマ
イクロ波を前記絶縁板を介して前記処理容器内へ導入す
る平面アンテナ部材と、前記処理容器内へ所定のガスを
導入するガス供給手段とを有するプラズマ処理装置にお
いて、前記平面アンテナ部材と前記絶縁板との間であっ
て前記絶縁板の上面に直接的に接するように冷却手段を
設けるように構成したものである。このように、マイク
ロ波を透過させる絶縁板に直接的に接するように冷却手
段を設けるようにして、この絶縁板を効率的に冷却する
ことができるようにしたので、絶縁板として熱伝導率が
小さくても誘電損失の小さな材料を用いることが可能と
なり、マイクロ波の導入効率を向上させることができ
る。

【００１０】この場合、例えば請求項５に規定するよう
に、前記平面アンテナ部材の下面と前記冷却手段の上面
とが直接的に接するようにしてもよい。これによれば、
１つの冷却手段により、平面アンテナ部材と絶縁板の双
方を冷却することが可能となる。この場合、例えば請求
項６に規定するように、前記冷却手段は、液体ジャケッ
ト内に冷媒を流すことにより形成されているようにして
もよい。また、例えば請求項７に規定するように、前記
冷却手段と前記平面アンテナ部材との間には、前記液体
ジャケットを前記平面アンテナ部材の異常放電から保護
するための保護板が介在されているようにしてもよい。
これによれば、保護板により冷却手段の構成部分を、平
面アンテナ部材にて発生する異常放電から保護すること
が可能となる。

【００１１】また、例えば請求項８に規定するように、
前記冷却手段は、前記平面アンテナ部材及び前記遅波材
を収容した液体容器内に冷媒を流すことにより形成され
ているようにしてもよい。これによれば、平面アンテナ
部材と遅波材とを１つの冷却手段で効率的に冷却するこ
とができる。また、例えば請求項９に規定するように、
前記液体または冷媒は、純水である。この場合、例えば
請求項１０に規定するように、前記絶縁板は、アルミナ
と窒化シリコンと石英よりなる群より選択される１つよ
りなる。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下に、本発明の係るプラズマ処
理装置の一実施例を添付図面に基づいて詳述する。図１
は本発明に係るプラズマ処理装置の第１の発明の第１実
施例を示す構成図、図２は第１の発明の第１実施例の平
面アンテナ部材の近傍を示す部分拡大図、図３は冷却手
段の一例を示す斜視図、図４は平面アンテナ部材を示す
平面図である。本実施例においてはプラズマ処理装置を
プラズマＣＶＤ（ＣｈｅｍｉｃａｌＶａｐｏｒＤｅｐ
ｏｓｉｔｉｏｎ）処理に適用した場合について説明す
る。図示するようにこのプラズマ処理装置３０は、例え
ば側壁や底部がアルミニウム等の導体により構成され
て、全体が筒体状に成形された処理容器３２を有してお
り、内部は密閉された処理空間Ｓとして構成されてい
る。

【００１３】この処理容器３２内には、上面に被処理体
としての例えば半導体ウエハＷを載置する載置台３４が
収容される。この載置台３４は、例えばアルマイト処理
したアルミニウム等により凸状に平坦になされた略円柱
状に形成されており、この下部は同じくアルミニウム等
により円柱状になされた支持台３６により支持されると
共にこの支持台３６は処理容器３２内の底部に絶縁材３
８を介して設置されている。上記載置台３４の上面に
は、ここにウエハを保持するための静電チャック或いは
クランプ機構（図示せず）が設けられ、この載置台３４
は給電線４０を介してマッチングボックス４２及び例え
ば１３．５６ＭＨｚのバイアス用高周波電源４４に接続
されている。尚、このバイアス用高周波電源４４を設け
ない場合もある。

【００１４】上記載置台３４を支持する支持台３６に
は、プラズマ処理時のウエハを冷却するための冷却水等
を流す冷却ジャケット４６が設けられる。尚、必要に応
じてこの載置台３４中に加熱用ヒータを設けてもよい。
上記処理容器３２の側壁には、ガス供給手段として、容
器内にプラズマ用ガス、例えばアルゴンガスを供給する
石英パイプ製のプラズマガス供給ノズル４８や処理ガ
ス、例えばデポジションガスを導入するための例えば石
英パイプ製の処理ガス供給ノズル５０が設けられ、これ
らのノズル４８、５０はそれぞれガス供給路５２、５４
によりマスフローコントローラ５６、５８及び開閉弁６
０、６２を介してそれぞれプラズマガス源６４及び処理
ガス源６６に接続されている。処理ガスとしてのデポジ
ションガスは、ＳｉＨ₄ 、Ｏ₂ 、Ｎ₂ ガス等を用いるこ
とができる。

【００１５】また、容器側壁の外周には、この内部に対
してウエハを搬入・搬出する時に開閉するゲートバルブ
６８が設けられると共に、この側壁を冷却する冷却ジャ
ケット６９が設けられる。また、容器底部には、図示さ
れない真空ポンプに接続された排気口７０が設けられて
おり、必要に応じて処理容器３２内を所定の圧力まで真
空引きできるようになっている。そして、処理容器３２
の天井部は開口されて、ここに例えばＡｌＮなどのセラ
ミック材よりなるマイクロ波に対しては透過性を有する
厚さ２０ｍｍ程度の絶縁板７２がＯリング等のシール部
材７４を介して気密に設けられる。

【００１６】そして、この絶縁板７２の上面に本発明の
特徴とする円板状の平面アンテナ部材７６と高誘電率特
性を有する遅波材７８とが設けられる。具体的にはこの
平面アンテナ部材７６は、上記処理容器３２と一体的に
成形されている中空円筒状容器よりなる導波箱８０の底
板として構成され、前記処理容器３２内の上記載置台３
４に対向させて設けられる。この導波箱８０の上部の中
心には、同軸導波管８２の外管８２Ａが接続され、内部
の内部ケーブル８２Ｂは上記平面アンテナ部材７６の中
心部に接続される。そして、この同軸導波管８２は、モ
ード変換器８４及び導波管８６を介して例えば２．４５
ＧＨｚのマイクロ波発生器８８に接続されており、上記
平面アンテナ部材７６へマイクロ波を伝播するようにな
っている。この周波数は２．４５ＧＨｚに限定されず、
他の周波数、例えば８．３５ＧＨｚを用いてもよい。こ
の導波管としては、断面円形或いは矩形の導波管や同軸
導波管を用いることができ、本実施例では同軸導波管が
用いられる。そして、上記導波箱８０内であって、平面
アンテナ部材７６の上面には、上記高誘電率特性を有す
る遅波材７８を設けて、この波長短縮効果により、マイ
クロ波の管内波長を短くしている。この遅波材７８の構
成については後述する。

【００１７】また、上記平面アンテナ部材７６は、８イ
ンチサイズのウエハ対応の場合には、例えば直径が３０
〜４０ｍｍ、厚みが１〜数ｍｍ、例えば５ｍｍの導電性
材料よりなる円板、例えば表面が銀メッキされた銅板或
いはアルミ板よりなり、この円板には図４にも示すよう
に例えば円形の貫通孔よりなる多数のマイクロ波放射孔
９０が、アンテナ部材７６に略均等に配置させて設けら
れている。このマイクロ波放射孔９０の配置形態は、特
に限定されず、例えば同心円状、螺旋状、或いは放射状
に配置させてもよいが、図示例では同心円状に配置され
ている。また、マイクロ波放射孔９０の形状は円形に限
定されず、例えば長溝のスリット形状等でもよく、ま
た、このスリット形状の放射孔をハの字状に配列させる
ようにしてもよい。

【００１８】ここで、各マイクロ波放射孔９０のアンテ
ナ部材７６の半径方向への配置ピッチＨ３は特には限定
されないが、例えば管内波長λの略１倍程度である。
尚、管内波長とは、遅波材７８の波長短縮効果により短
くなされた波長を指す。ここで遅波材７８によりマイク
ロ波は大きな波長短縮効果を受けているので、マイクロ
波放射孔９０の直径Ｈ４及びそのピッチＨ３は従来構造
よりもかなり小さく設定されている。尚、遅波材７８の
比誘電率をεとすると管内波長λ１は、λ１＝λ０／ε
^1/2（ここでλ０はマイクロ波の真空中の波長）とな
る。また、上記遅波材７８は、ここでは主に液体、例え
ば純水により形成されている。具体的には、この遅波材
７８は、樹脂性のチューブ例えばテフロン（登録商標）
チューブ等よりなる可撓性のある液体通路９４を図３に
示すように同心円状に密接させて多重に平面状に巻回
し、且つ上下に２層構造とした液体ジャケット９６より
なり、この液体ジャケット９６の流体入口９６Ａと流体
出口９６Ｂとを図２に示すように導波箱８０の外側へ引
き出し、必要に応じてこれに純水を流し得るようになっ
ている。この場合、このテフロンチューブの流体通路９
４の断面は略矩形状になされており、この流路の縦Ｌ１
及び横Ｌ２はそれぞれ２ｍｍ及び１０ｍｍ程度に設定さ
れている。

【００１９】尚、この場合、液体ジャケット９６とし
て、テフロンチューブを巻回するのではなく、全体を単
なる中空の容器として形成してもよい。また、テフロン
チューブの巻回の方法も特に限定されず、例えば２つ折
りにしたテフロンチューブを中心側より外側に向けて順
次巻き重ねるようにしてもよい。このように、導波箱８
０内の平面アンテナ部材７６の上面側に液体ジャケット
９６よりなる遅波材７８を設置することにより、この波
長短縮効果によりマイクロ波の管内波長を短くすること
が可能となる。ちなみに純水の比誘電率は８０程度であ
り、窒化アルミの８．５程度よりもかなり大きい。この
場合、比誘電率が略１２以上であれば、十分に高い波長
短縮効果を得られることができる。

【００２０】次に、以上のように構成された装置を用い
て行なわれる処理方法について説明する。まず、ゲート
バルブ６８を介して半導体ウエハＷを搬送アーム（図示
せず）により処理容器３２内に収容し、リフタピン（図
示せず）を上下動させることによりウエハＷを載置台３
４の上面の載置面に載置する。そして、処理容器３２内
を所定のプロセス圧力、例えば０．０１〜数Ｐａの範囲
内に維持して、プラズマガス供給ノズル４８から例えば
アルゴンガスを流量制御しつつ供給すると共に処理ガス
供給ノズル５０から例えばＳｉＨ₄ 、Ｏ₂ 、Ｎ₂ 等のデ
ポジションガスを流量制御しつつ供給する。同時にマイ
クロ波発生器８８からのマイクロ波を、導波管８６及び
同軸導波管８２を介して平面アンテナ部材７６に供給し
て処理空間Ｓに、遅波材７８によって波長が短くされた
マイクロ波を導入し、これによりプラズマを発生させて
所定のプラズマ処理、例えばプラズマＣＶＤによる成膜
処理を行う。

【００２１】ここで、マイクロ波発生器８８にて発生し
た例えば２．４５ＧＨｚのマイクロ波はモード変換後に
例えばＴＥＭモードで同軸導波管８２内を伝播して導波
箱８０内のアンテナ部材７６に到達し、内部ケーブル８
２Ｂの接続された円板状のアンテナ部材７６の中心部か
ら放射状に周辺部に伝播される間に、このアンテナ部材
７６に同心円状或いは螺旋状に略均等に多数形成された
円形のマイクロ波放射孔９０から絶縁板７２を介してア
ンテナ部材７６の直下の処理空間Ｓにマイクロ波を導入
する。このマイクロ波により励起されたアルゴンガスが
プラズマ化し、この下方に拡散してここで処理ガスを活
性化して活性種を作り、この活性種の作用でウエハＷの
表面に処理、例えばプラズマＣＶＤ処理が施されること
になる。

【００２２】そして、このプラズマ処理中においては、
平面アンテナ部材７６の上部に設けた液体ジャケット９
６に、その流体入口９６Ａより純水を供給し、この純水
を上下２段に巻回して積層させた流体通路９４内に流通
させた後に流体出口９６Ｂから流出させている。この実
質的に遅波材として機能する純水は、マイクロ波に対し
て波長短縮作用を及ぼし、しかも、ここでは従来よりも
比誘電率が遥かに大きい遅波材、例えば純水を用いてい
るので、大きな波長短縮効果を呈することになる。具体
的には遅波材として、従来は比誘電率が１０程度の窒化
アルミ等が用いられていたが、ここでは比誘電率が８０
程度の純水を用いているので、本実施例では波長短縮効
果を略３倍程度向上させて、従来装置よりも管内波長を
１／３程まで短くすることができる。尚、波長短縮効果
は比誘電率の逆数の平方根で表され、例えば比誘電率が
８０程度の純水も場合には、マイクロ波の波長は真空中
の１／９程度になる。

【００２３】このように、大きな波長短縮効果が得られ
ることから、図４に示すようにマイクロ波放射孔９０の
アンテナ半径方向における配列のピッチＨ３は通常はマ
イクロ波の管内波長と同じ程度に設定することから、従
来の平面アンテナ部材１０（図１６参照）と比較して、
１／３程度まで小さくでき、従って、より多くのマイク
ロ波放射孔９０を密度の高い状態で形成することができ
る。また、各マイクロ波放射孔９０の大きさ、例えば直
径Ｈ４も波長短縮効果の向上により、更に小さくできる
ので、この点よりもマイクロ波放射孔９０をより高密度
に形成することができる。このように、マイクロ波放射
孔９０をより高密度に形成できる結果、処理室空間Ｓに
おけるプラズマ密度の面内均一性をより向上させて、半
導体ウエハＷのプラズマ処理の面内均一性を向上させる
ことができる。図５はこの点を模式的に示す図であり、
本発明装置と従来装置の平面アンテナ部材の形状とプラ
ズマ密度との関係を模式的に示している。

【００２４】先に説明したように、平面アンテナ部材に
あっては、マイクロ波はプラズマ放射孔よりその直下に
多く放射されるので、プラズマ放射孔の直下のプラズマ
密度は他の部分と比較して大きくなる。そして、上述の
ように、本実施例ではプラズマ放射孔の配列ピッチを小
さくした結果、その形成密度を大きく設定できるので、
図５（Ａ）に示す従来のアンテナ部材１０におけるプラ
ズマ密度のピークとボトムとの差Ｐ１よりも、図５
（Ｂ）に示す本実施例のアンテナ部材７６におけるプラ
ズマ密度のピークとボトムとの差Ｐ２を遥かに小さくで
き、この結果、上述のように処理空間Ｓにおけるプラズ
マ密度の面内均一性を向上させることが可能となる。ま
た、ここでは遅波材として純水を流しているので、これ
が冷却作用を発揮し、平面アンテナ部材７６等を冷却し
てこの昇温を防止することもできる。この場合、例えば
純水の流量は１リットル／分程度である。また、この冷
却によって、例えば平面アンテナ部材７６等を、例えば
８０℃程度に一定となるように維持する。このように冷
却により８０℃程度に一定に維持する点は、後述するよ
うに絶縁板７２を冷却する場合も同じである。

【００２５】また、ここでは液体ジャケット９６を２層
構造としたが、これに限定されず、単層構造、或いは３
層以上の多層構造としてもよい。また、実質的に遅波材
として機能する液体は、純水に限定されず、高い冷媒機
能を有するフッ素系不活性液体、例えばフロリナート
（商品名）等も用いることができる。また、従来装置と
比較して十分なプラズマ密度の面内均一性の向上を図る
ためには、遅波材としては比誘電率が２０程度以上の材
料を用いればよい。従って、遅波材としては比誘電率が
８０程度の純水に限定されず、他の材料、例えば高誘電
率セラミックを用いることができる。この高誘電率セラ
ミックとしては、比誘電率が２０程度のタンタル酸化物
（Ｔａ₂ Ｏ₅ ）、比誘電率が３０〜４０程度のジルコニ
ウム酸化物（ＺｒｘＯｙ）やハフニウム酸化物（Ｈｆｘ
Ｏｙ）等を用いることができる。この場合には、遅波材
は液体ではなく固体となる。図６はこのような第１の発
明の第２実施例の平面アンテナ部材の近傍を示す部分拡
大図であり、図７は固体の遅波材を示す平面図である。
尚、図６中においては、図２中と同一構成部材について
は同一符号を付してその説明を省略する。

【００２６】ここでは、平面アンテナ部材７６の上部に
設ける高誘電率特性を有する遅波材１００は、上述のよ
うに固体の高誘電率セラミックを用いている。この遅波
材１００は、中心部に中心孔１０２を有する円板状に形
成されている。また、この遅波材１００の厚さは、例え
ば４ｍｍ程度あれば十分に波長短縮効果を発揮すること
ができる。また、この種の高誘電率セラミックは、大き
な円板状に一体焼成することは比較的困難なので、図７
に示すように、例えば扇状に８分割された大きさの高誘
電体セラミックのブロック体１０４を焼成し、これを円
板状に組み合わせるようにすればよい。ただし、このよ
うに遅波材１００として固体を用いた場合には、図２に
示す純水を用いた第１実施例とは異なり、冷却機能を有
していないので、導波箱８０の天井部上面に、従来装置
の図１５にて説明したと同様な構造の冷却水流路２０を
有する冷却ジャケット２２を設けるようにする。この第
２実施例の場合も、第１実施例と同様な作用効果を示
し、先の純水の場合程ではないが、大きなマイクロ波の
波長短縮効果を発揮でき、従って、これに対応して平面
アンテナ部材７６のマイクロ波放射孔９０の配列の密度
を高めることができるので、処理空間Ｓにおけるプラズ
マ密度の面内均一性を向上させることができる。

【００２７】次に、第２の発明について説明する。前述
した第１の発明では遅波材を改良することにより、より
大きな波長短縮効果を発揮することを目的としている
が、第２の発明においては、マイクロ波を透過する絶縁
板として誘電損失が比較的小さい材質のものを用い、こ
の時、絶縁板に発生する熱を効率的に冷却するようにす
る点を目的としている。図８は本発明のプラズマ処理装
置の第２の発明の第１実施例の平面アンテナ部材の近傍
を示す部分拡大図、図９は図８中の液体ジャケットを示
す斜視図である。尚、図８中では、先に説明した図と同
一構成部分については同一符号を付して説明する。ま
た、図８に示されていない部分は、図１において説明し
たと同様な構成になされている。

【００２８】この図８に示す第２の発明の第１実施例で
は、絶縁板１１０としては、誘電損失が大きい従来の窒
化アルミ（ＡｌＮ）ではなく、誘電損失が非常に小さい
材料（抵誘電損失）、例えばアルミナ、窒化シリコン、
或いは石英等を用い、これによりマイクロ波を効率的に
処理空間Ｓに投入することが可能となる。この場合、こ
の抵誘電損失の材料は一般的に、上記窒化アルミよりも
熱伝導性が劣るので、誘電損失によって発生した熱が他
に逃げにくくなってこの直下に設置されるウエハの熱分
布に悪影響を与える恐れが生ずるので、ここでは平面ア
ンテナ部材７６と上記絶縁板１１０との間であって、上
記絶縁板１１０の上面に直接的に接するように冷却手段
１１２を設け、上記絶縁板１１０を直接的に冷却するよ
うになっている。尚、この場合、平面アンテナ部材７６
上に設ける遅波材は、図１５の従来装置に示した窒化ア
ルミ８を用いてもよいし、先の第１の発明で説明した高
誘電率特性を有する遅波材７８、１００を用いてもどち
らでもよく、図８においては固体の高誘電率特性を有す
る遅波材１００を用いた場合を例に示している。

【００２９】図９に示すように上記冷却手段１１２とし
ては、先に図３に説明したと同様な構造になされてい
る。すなわち、この冷却手段１１２は、樹脂性のチュー
ブ例えばテフロンチューブ等よりなる可撓性のある液体
通路１１４を図９に示すように同心円状に密接させて多
重に平面状に巻回して１層構造とした液体ジャケット１
１６よりなり、この液体ジャケット１１６の流体入口１
１６Ａと流体出口１１６Ｂとを図８に示すように導波箱
８０の外側へ引き出し、必要に応じてこれに純水を流し
得るようになっている。この場合、このテフロンチュー
ブの流体通路１１４の断面は略矩形状になされており、
この流路の縦Ｌ１及び横Ｌ２はそれぞれ２ｍｍ及び１０
ｍｍ程度に設定されている。また、テフロンチューブの
巻回の方法も特に限定されず、例えば２つ折りにしたテ
フロンチューブを中心側より外側に向けて順次巻き重ね
るようにしてもよい。尚、この場合、液体ジャケット１
１６として、テフロンチューブを巻回するのではなく、
全体を単なる中空の容器として形成してもよい。この点
については後述する。

【００３０】この場合、液体ジャケット１１６を図２の
場合と同様に２層構造としてもよい。また、図８に示す
ように、マイクロ波の放射性を高めるために、液体ジャ
ケット１１６の上面と平面アンテナ部材７６の下面との
間の距離Ｈ５を例えば５ｍｍ程度離間させるようにとっ
てもよいし、或いはこれらを接した状態で設けるように
してもよい。そして、液体ジャケット１１６の上面と平
面アンテナ部材７６の下面とを接した場合には、この１
つの液体ジャケット１１６により、平面アンテナ部材７
６と絶縁板１１０の双方を冷却することができる。この
実施例の場合には、絶縁板１１０に低誘電損失の材料を
用いているので、プラズマ処理時にこの絶縁板１１０を
マイクロ波が通過する時に発生する誘電損失を、大幅に
抑制することができ、例えばこの絶縁板として窒化アル
ミを用いた装置では３０％のエネルギー損失があった
が、本実施例の場合には１０〜１５％程度のエネルギー
損失で済み、従って、マイクロ波の使用効率を大幅に改
善することができる。

【００３１】また、この場合、誘電損失によって絶縁板
１１０が発熱することは避けられないが、この上面に接
して配置した液体ジャケット１１６よりなる冷却手段１
１２に冷媒として、例えば純水やフロリナート等を流す
ことにより、上記絶縁板１１０を全面に亘って効率的に
冷却することができる。従って、絶縁板１１０の温度上
昇に伴って発生する半導体ウエハに対する熱分布の悪影
響が半導体ウエハに及ぶことを防止することができる。
また、この時の冷媒の流量は、特に限定されるものでは
ないが、冷却効率等を考慮して、例えば１リットル／分
程度に設定すればよい。また、図８に示す第２の発明の
第１実施例では、平面アンテナ部材７６の下面と冷却手
段１１２の上面との間に距離Ｈ５の間隙を設けたが、こ
の間隙部分に保護板を設けるようにしてもよい。図１０
はこのような第２の発明の第２実施例を示す部分拡大図
である。図示するように、ここでは平面アンテナ部材７
６の下面と冷却手段１１２の上面との間に、厚さが５ｍ
ｍ程度の保護板１２０を介在させている。この保護板１
２０の材質は、例えば窒化アルミ、アルミナ等のセラミ
ック板や石英板よりなる。

【００３２】一般的に、プロセス中にあっては平面アン
テナ部材７６に供給されるマイクロ波の電力により、例
えばマイクロ波放射孔９０の近傍等に異常放電が発生す
ることは避けられないが、上述のように保護板１２０を
設けることにより、この異常放電により液体ジャケット
１１６を形成するテフロンチューブ等が焼損することを
防止し、これを保護することが可能となる。また、図８
及び図１０に示す第２の発明の第１及び第２実施例で
は、冷却手段１１２の液体ジャケット１１６は、例えば
テフロンチューブ等を巻回することにより形成していた
が、これに限定されず、これを薄い容器状に成形しても
よい。図１１はこのような第２の発明の第３実施例を示
す部分拡大図である。ここでは冷却手段１１２を構成す
る液体ジャケット１１６を、例えばテフロン樹脂等によ
り薄い円盤状の中空の容器状に成形しており、その一部
に液体入口１１６Ａを形成し、その直径方向の反対側に
液体出口１１６Ｂを設けている。この場合にも、図８に
て説明したと同様な冷却効果を発揮することができる。

【００３３】また、図８、図１０及び図１１に示す実施
例では、平面アンテナ部材７６と絶縁板１１０との間の
みに冷却手段１１２を設けて冷媒を流すようにしたが、
これに限定されず、導波箱８０内全体に冷媒を流すよう
にしてもよい。図１２はこのような第２の発明の第４実
施例を示す部分拡大図である。図１２に示すように、こ
こでは冷却手段１１２として例えばテフロン樹脂により
上記導波箱８０の全体を収容し得る程度の大きさの液体
容器１２２を形成しており、この液体容器１２２の上部
を開放してこの内部に、導波箱８０、平面アンテナ部材
７６及び固体の遅波材１００を収容している。そして、
この液体容器１２２の側壁の高い位置に（平面アンテナ
部材７６の取り付け位置よりも高い位置に）、この容器
側壁及び導波箱８０の側壁を貫通させて液体入口１１６
Ａを設け、液体容器１２２の側壁の低い位置に（平面ア
ンテナ部材７６の取り付け位置よりも低い位置に）、こ
の容器側壁及び導波箱８０の側壁を貫通させて液体出口
１１６Ｂを設け、これにより、導波箱８０内に導入され
た冷媒が、平面アンテナ部材７６のマイクロ波放射孔９
０を介してその上方より下方へ流れるようになってい
る。尚、この場合、液体入口１１６Ａと液体出口１１６
Ｂの取り付け位置を逆に設定してもよい。

【００３４】これによれば、平面アンテナ部材７６や固
体の遅波材１００も冷媒に浸漬されることから、絶縁板
１１０を冷却する機能を発揮するのみならず、平面アン
テナ部材７６や固体の遅波材１００自体も、この冷媒で
冷却することができる。尚、この実施例において、固体
の遅波材１００を取り除いてこの部分も冷媒、例えば純
水で満たせば、この純水が第１の発明で説明した液体の
遅波材７８（図２参照）として機能することになり、こ
の冷媒に、冷却機能と波長短縮機能を併せて持たせるこ
とができる。また、以上の第２の発明では、主として固
体の遅波材１００を併せ持った場合について説明してき
たが、これに代えて、液体の遅波材を併せ持たせるよう
にしてもよい。

【００３５】図１３はこのような第２の発明の第５実施
例を示す部分拡大図である。図１３に示すように、ここ
では平面アンテナ部材７６と絶縁板１１０との間に図８
にて説明したような冷却手段１１２を介在させると共
に、この平面アンテナ部材７６の上部に図２及び図３に
て説明したような液体ジャケット９６よりなる遅波材７
８を設けている。この場合にも、第１の発明と第２の発
明の作用効果を併せて発揮することができる。尚、本実
施例では、半導体ウエハに成膜処理する場合を例にとっ
て説明したが、これに限定されず、プラズマエッチング
処理、プラズマアッシング処理等の他のプラズマ処理に
も適用することができる。また、被処理体としても半導
体ウエハに限定されず、ガラス基板、ＬＣＤ基板等に対
しても適用することができる。

【００３６】

【発明の効果】以上説明したように、本発明のプラズマ
処理装置によれば、次のように優れた作用効果を発揮す
ることができる。請求項１〜３に係る発明によれば、高
誘電率特性を有する遅波材を用いるようにしたので、マ
イクロ波に対する波長短縮効果が向上し、このため平面
アンテナ部材に設けたマイクロ波放射孔のピッチや大き
さを小さくでき、従って、その分、処理空間におけるプ
ラズマ密度の面内均一性を向上させることができる。請
求項４、６、９、１０に係る発明によれば、マイクロ波
を透過させる絶縁板に直接的に接するように冷却手段を
設けるようにして、この絶縁板を効率的に冷却すること
ができるようにしたので、絶縁板として熱伝導率が小さ
くても誘電損失の小さな材料を用いることが可能とな
り、マイクロ波の導入効率を向上させることができる。
請求項５に係る発明によれば、１つの冷却手段により、
平面アンテナ部材と絶縁板の双方を冷却することができ
る。請求項７に係る発明によれば、保護板により冷却手
段の構成部分を、平面アンテナ部材にて発生する異常放
電から保護することができる。請求項８に係る発明によ
れば、平面アンテナ部材と遅波材とを１つの冷却手段で
効率的に冷却することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るプラズマ処理装置の第１の発明の
第１実施例を示す構成図である。

【図２】第１の発明の第１実施例の平面アンテナ部材の
近傍を示す部分拡大図である。

【図３】冷却手段の一例を示す斜視図である。

【図４】平面アンテナ部材を示す平面図である。

【図５】本発明装置と従来装置の平面アンテナ部材の形
状とプラズマ密度との関係を模式的に示す図である。

【図６】第１の発明の第２実施例の平面アンテナ部材の
近傍を示す部分拡大図である。

【図７】固体の遅波材を示す平面図である。

【図８】本発明のプラズマ処理装置の第２の発明の第１
実施例の平面アンテナ部材の近傍を示す部分拡大図であ
る。

【図９】図８中の液体ジャケットを示す斜視図である。

【図１０】第２の発明の第２実施例を示す部分拡大図で
ある。

【図１１】第２の発明の第３実施例を示す部分拡大図で
ある。

【図１２】第２の発明の第４実施例を示す部分拡大図で
ある。

【図１３】第２の発明の第５実施例を示す部分拡大図で
ある。

【図１４】従来の一般的なプラズマ処理装置を示す構成
図である。

【図１５】平面アンテナ部材の部分を示す部分拡大図で
ある。

【図１６】平面アンテナ部材を示す平面図である。

【符号の説明】

３０プラズマ処理装置３２処理容器３４載置台４８，５０ガス供給手段７２絶縁板７６平面アンテナ部材７８高誘電率特性を有する遅波材（液体）８０導波箱８２同軸導波箱８８マイクロ波発生器９０マイクロ波放射孔９４液体通路９６液体ジャケット１００高誘電率特性を有する遅波材（固体）１１０絶縁板１１２冷却手段１１４液体通路１１６液体通路１２２液体容器Ｗ半導体ウエハ（被処理体）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｈ０５Ｈ 1/46 Ｈ０１Ｌ 21/302 ＢＦターム(参考） 4G075 AA03 AA22 AA24 AA42 BC04 BC06 BD14 CA26 CA47 CA57 CA63 CA65 EA07 EB01 EB41 EC01 EC13 EC30 FB02 FB04 FB06 FB12 FC11 FC15 4K030 AA06 AA14 AA18 CA04 CA12 FA01 KA20 KA26 KA30 KA46 LA15 4K057 DA16 DB06 DD03 DD08 DK03 DM06 DM09 DM29 DM37 DM38 DM39 DN01 5F004 AA01 BA20 BB14 BB32 5F045 AA09 AC01 AC11 AC15 BB02 DP04 EB02 EB03 EC01 EH02 EH03 EH04 EH11 EJ05 EJ09

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】天井部に気密に装着された絶縁板が設け
られて内部が真空引き可能になされた処理容器と、被処
理体を載置するために前記処理容器内に設けられた載置
台と、前記絶縁板の上方に設けられて所定のピッチで形
成された複数のマイクロ波放射孔からプラズマ発生用の
マイクロ波を前記絶縁板を介して前記処理容器内へ導入
する平面アンテナ部材と、前記処理容器内へ所定のガス
を導入するガス供給手段とを有するプラズマ処理装置に
おいて、前記平面アンテナ部材の上部に、比誘電率が１
２以上の高誘電率特性を有する遅波材を配置するように
構成したことを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項２】前記高誘電率特性を有する遅波材は、液
体、タンタル酸化物、ジルコニウム酸化物及びハフニウ
ム酸化物よりなる群から選択される１つよりなることを
特徴とする請求項１記載のプラズマ処理装置。
【請求項３】前記遅波材が液体の場合は、前記液体は
液体ジャケット内を流通されていることを特徴とする請
求項２記載のプラズマ処理装置。
【請求項４】天井部に気密に装着された絶縁板が設け
られて内部が真空引き可能になされた処理容器と、被処
理体を載置するために前記処理容器内に設けられた載置
台と、前記絶縁板の上方に設けられて所定のピッチで形
成された複数のマイクロ波放射孔からプラズマ発生用の
マイクロ波を前記絶縁板を介して前記処理容器内へ導入
する平面アンテナ部材と、前記処理容器内へ所定のガス
を導入するガス供給手段とを有するプラズマ処理装置に
おいて、前記平面アンテナ部材と前記絶縁板との間であ
って前記絶縁板の上面に直接的に接するように冷却手段
を設けるように構成したことを特徴とするプラズマ処理
装置。
【請求項５】前記平面アンテナ部材の下面と前記冷却
手段の上面とが直接的に接するようになされていること
を特徴とする請求項４記載のプラズマ処理装置。
【請求項６】前記冷却手段は、液体ジャケット内に冷
媒を流すことにより形成されていることを特徴とする請
求項４又は５記載のプラズマ処理装置。
【請求項７】前記冷却手段と前記平面アンテナ部材と
の間には、前記液体ジャケットを前記平面アンテナ部材
の異常放電から保護するための保護板が介在されている
ことを特徴とする請求項６記載のプラズマ処理装置。
【請求項８】前記冷却手段は、前記平面アンテナ部材
及び前記遅波材を収容した液体容器内に冷媒を流すこと
により形成されていることを特徴とする請求項４又は５
記載のプラズマ処理装置。
【請求項９】前記液体または冷媒は、純水であること
を特徴とする請求項３又は８記載のプラズマ処理装置。
【請求項１０】前記絶縁板は、アルミナと窒化シリコ
ンと石英よりなる群より選択される１つよりなることを
特徴とする請求項７乃至９のいずれかに記載のプラズマ
処理装置。