JP2002299240A - プラズマ処理装置 - Google Patents

プラズマ処理装置

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JP2002299240A
JP2002299240A JP2001094275A JP2001094275A JP2002299240A JP 2002299240 A JP2002299240 A JP 2002299240A JP 2001094275 A JP2001094275 A JP 2001094275A JP 2001094275 A JP2001094275 A JP 2001094275A JP 2002299240 A JP2002299240 A JP 2002299240A
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plasma
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plasma processing
microwave
substrate
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Tadahiro Omi
忠弘 大見
Masaki Hirayama
昌樹 平山
Shigetoshi Sugawa
成利 須川
Tetsuya Goto
哲也 後藤
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Tokyo Electron Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 マイクロ波プラズマ処理装置において、被処
理基板周辺部でのプラズマ密度の低下を補償する。 【解決手段】 被処理基板に対面するシャワープレート
あるいはプラズマ透過窓の、前記被処理基板に対面する
側を凹面形状とする。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は一般にプラズマ処理
装置に係わり、特にマイクロ波プラズマ処理装置に関す
る。
【0002】プラズマ処理工程およびプラズマ処理装置
は、近年のいわゆるディープサブミクロン素子あるいは
ディープサブクォーターミクロン素子と呼ばれる0.1
μmに近い、あるいはそれ以下のゲート長を有する超微
細化半導体装置の製造や、液晶表示装置を含む高解像度
平面表示装置の製造にとって、不可欠の技術である。
【0003】半導体装置や液晶表示装置の製造に使われ
るプラズマ処理装置としては、従来より様々なプラズマ
の励起方式が使われているが、特に平行平板型高周波励
起プラズマ処理装置あるいは誘導結合型プラズマ処理装
置が一般的である。しかしこれら従来のプラズマ処理装
置は、プラズマ形成が不均一であり、電子密度の高い領
域が限定されているため大きな処理速度すなわちスルー
プットで被処理基板全面にわたり均一なプロセスを行う
のが困難である問題点を有している。この問題は、特に
大径の基板を処理する場合に深刻になる。しかもこれら
従来のプラズマ処理装置では、電子温度が高いため被処
理基板上に形成される半導体素子にダメージが生じ、ま
た処理室壁のスパッタリングによる金属汚染が大きいな
ど、いくつかの本質的な問題を有している。このため、
従来のプラズマ処理装置では、半導体装置や液晶表示装
置のさらなる微細化およびさらなる生産性の向上に対す
る厳しい要求を満たすことが困難になりつつある。
【0004】一方、従来より直流磁場を用いずにマイク
ロ波電界により励起された高密度プラズマを使うマイク
ロ波プラズマ処理装置が提案されている。例えば、均一
なマイクロ波を発生するように配列された多数のスロッ
トを有する平面状のアンテナ(ラジアルラインスロット
アンテナ)から処理容器内にマイクロ波を放射し、この
マイクロ波電界により真空容器内のガスを電離してプラ
ズマを励起させる構成のプラズマ処理装置が提案されて
いる。例えば特開平9−63793公報を参照。このよ
うな手法で励起されたマイクロ波プラズマではアンテナ
直下の広い領域にわたって高いプラズマ密度を実現で
き、短時間で均一なプラズマ処理を行うことが可能であ
る。しかもかかる手法で形成されたマイクロ波プラズマ
ではマイクロ波によりプラズマを励起するため電子温度
が低く、被処理基板のダメージや金属汚染を回避するこ
とができる。さらに大面積基板上にも均一なプラズマを
容易に励起できるため、大口径半導体基板を使った半導
体装置の製造工程や大型液晶表示装置の製造にも容易に
対応できる。
【0005】
【従来の技術】図1(A),(B)は、かかるラジアル
ラインスロットアンテナを使った従来のマイクロ波プラ
ズマ処理装置100の構成を示す。ただし図1(A)は
マイクロ波プラズマ処理装置100の断面図を、また図
1(B)はラジアルラインスロットアンテナの構成を示
す図である。
【0006】図1(A)を参照するに、マイクロ波プラ
ズマ処理装置100は複数の排気ポート116から排気
される処理室101を有し、前記処理室101中には被
処理基板114を保持する保持台115が形成されてい
る。前記処理室101の均一な排気を実現するため、前
記保持台115の周囲にはリング状に空間101Aが形
成されており、前記複数の排気ポート116を前記空間
101Aに連通するように等間隔で、すなわち被処理基
板に対して軸対称に形成することにより、前記処理室1
01を前記空間101Aおよび排気ポート116を介し
て均一に排気することができる。
【0007】前記処理室101上には、前記保持台11
5上の被処理基板114に対応する位置に、前記処理室
101の外壁の一部として、低損失誘電体よりなり多数
の開口部107を形成された板状のシャワープレート1
03がシールリング109を介して形成されており、さ
らに前記シャワープレート103の外側に同じく低損失
誘電体よりなるカバープレート102が、別のシールリ
ング108を介して設けられている。
【0008】前記シャワープレート103にはその上面
にプラズマガスの通路104が形成されており、前記複
数の開口部107の各々は前記プラズマガス通路104
に連通するように形成されている。さらに、前記シャワ
ープレート103の内部には、前記処理容器101の外
壁に設けられたプラズマガス供給ポート105に連通す
るプラズマガスの供給通路108が形成されており、前
記プラズマガス供給ポート105に供給されたArやK
r等のプラズマガスは、前記供給通路108から前記通
路104を介して前記開口部107に供給され、前記開
口部107から前記処理容器101内部の前記シャワー
プレート103直下の空間101Bに、実質的に一様な
濃度で放出される。
【0009】前記処理容器101上には、さらに前記カ
バープレート102の外側に、前記カバープレート10
2から4〜5mm離間して、図1(B)に示す放射面を
有するラジアルラインスロットアンテナ110が設けら
れている。前記ラジアルラインスロットアンテナ110
は外部のマイクロ波源(図示せず)に同軸導波管110
Aを介して接続されており、前記マイクロ波源からのマ
イクロ波により、前記空間101Bに放出されたプラズ
マガスを励起する。前記カバープレート102とラジア
ルラインスロットアンテナ110の放射面との間の隙間
は大気により充填されている。
【0010】前記ラジアルラインスロットアンテナ11
0は、前記同軸導波管110Aの外側導波管に接続され
た平坦なディスク状のアンテナ本体110Bと、前記ア
ンテナ本体110Bの開口部に形成された、図1(B)
に示す多数のスロット110aおよびこれに直交する多
数のスロット110bを形成された放射板110Cとよ
りなり、前記アンテナ本体110Bと前記放射板110
Cとの間には、厚さが一定の誘電体板よりなる遅相板1
10Dが挿入されている。
【0011】かかる構成のラジアルラインスロットアン
テナ110では、前記同軸導波管110から給電された
マイクロ波は、前記ディスク状のアンテナ本体110B
と放射板110Cとの間を、半径方向に広がりながら進
行するが、その際に前記遅相板110Dの作用により波
長が圧縮される。そこで、このようにして半径方向に進
行するマイクロ波の波長に対応して前記スロット110
aおよび110bを同心円状に、かつ相互に直交するよ
うに形成しておくことにより、円偏波を有する平面波を
前記放射板110Cに実質的に垂直な方向に放射するこ
とができる。
【0012】かかるラジアルラインスロットアンテナ1
10を使うことにより、前記シャワープレート103直
下の空間101Bに均一な高密度プラズマが形成され
る。このようにして形成された高密度プラズマは電子温
度が低く、そのため被処理基板114にダメージが生じ
ることがなく、また処理容器101の器壁のスパッタリ
ングに起因する金属汚染が生じることもない。
【0013】図1のプラズマ処理装置100では、さら
に前記処理容器101中、前記シャワープレート103
と被処理基板114との間に、外部の処理ガス源(図示
せず)から前記処理容器101中に形成された処理ガス
通路112を介して処理ガスを供給する多数のノズル1
13を形成された導体構造物111が形成されており、
前記ノズル113の各々は、供給された処理ガスを、前
記導体構造物111と被処理基板114との間の空間1
01Cに放出する。前記導体構造物111には、前記隣
接するノズル113と113との間に、前記空間101
Bにおいて形成されたプラズマを前記空間101Bから
前記空間101Cに拡散により、効率よく通過させるよ
うな大きさの開口部が形成されている。
【0014】そこで、このように前記導体構造物111
から前記ノズル113を介して処理ガスを前記空間10
1Cに放出した場合、放出された処理ガスは前記空間1
01Bにおいて形成された高密度プラズマにより励起さ
れ、前記被処理基板114上に、一様なプラズマ処理
が、効率的かつ高速に、しかも基板および基板上の素子
構造を損傷させることなく、また基板を汚染することな
く行われる。一方前記ラジアルラインスロットアンテナ
110から放射されたマイクロ波は、かかる導体構造物
111により阻止され、被処理基板114を損傷させる
ことはない。
【0015】
【発明が解決しようとする課題】ところで図1(A),
(B)の従来のプラズマ処理装置100では、前記シャ
ワープレート103と被処理基板114との間の間隔が
狭いため、前記空間101Bおよび101Cにはシャワ
ープレート103の径方向への連続的で安定なプラズマ
流が形成され、前記被処理基板114が大口径基板であ
っても非常に均一なプラズマ処理が可能になるが、一方
で前記処理容器101内の圧力が低下した場合、特にシ
ャワープレート103の周辺部においてプラズマ密度が
低下しやすい問題が生じる。例えば処理容器101内の
圧力がAr雰囲気中で300mTorr以下に低下した
場合、シャワープレート103の周辺部においてプラズ
マ密度が大きく低下する。これは処理容器101内の圧
力が低下した場合、解離した電子の拡散が促進され、処
理容器101の内壁面で消滅することに起因するものと
考えられる。プラズマのカットオフ密度は7.5×10
10cm-3であるため、プラズマ密度がかかるカットオフ
密度以下に低下するとプラズマを維持することができな
くなる。かかるシャワープレート103周辺部における
プラズマ密度の低下は、処理速度の低下を招くだけでな
く、マイクロ波が被処理基板114に直接に印加されて
しまい、損傷を誘起してしまう問題を生じる。
【0016】そこで、本発明は従来の課題を解決した新
規で有用なプラズマ処理装置を提供することを概括的課
題とする。
【0017】本発明のより具体的な課題は、低い処理圧
においても被処理基板表面全体にわたり均一な処理が可
能なプラズマ処理装置を提供することにある。
【0018】
【課題を解決するための手段】本発明は上記の課題を、
請求項1に記載したように、外壁により画成され、被処
理基板を保持する保持台を備えた処理容器と、前記処理
容器に結合された排気系と、前記処理容器上に、前記保
持台上の被処理基板に対面するように、前記外壁の一部
として設けられたマイクロ波透過窓と、前記処理容器中
にプラズマガスを供給するプラズマガス供給部と、前記
処理容器上に、前記マイクロ波に対応して設けられたマ
イクロ波アンテナとよりなり、前記マイクロ波透過窓
は、前記被処理基板と対面する側の内面が、前記被処理
基板表面に一致する平面との間の間隔が、前記マイクロ
波透過窓の径方向外側に向って減少する凹面形状を有す
ることを特徴とするプラズマ処理装置により、または請
求項2に記載したように、前記間隔は、前記マイクロ波
透過窓の径方向外側に向って連続的に減少することを特
徴とする請求項1記載のプラズマ処理装置により、また
は請求項3に記載したように、前記間隔は、前記マイク
ロ波透過窓の径方向外側に向って滑らかに減少すること
を特徴とする請求項2記載のプラズマ処理装置により、
または請求項4に記載したように、前記間隔は、前記マ
イクロ波透過窓の径方向外側に向って直線的に減少する
ことを特徴とする請求項2または3記載のプラズマ処理
装置により、または請求項5に記載したように、前記間
隔は、前記マイクロ波透過窓の径方向外側に向って非直
線的に減少することを特徴とする請求項2または3記載
のプラズマ処理装置により、または請求項6に記載した
ように、前記間隔は、前記マイクロ波透過窓の径方向外
側に向って階段状に減少することを特徴とする請求項1
記載のプラズマ処理装置により、または請求項7に記載
したように、前記間隔は、前記マイクロ波透過窓の周辺
部においてのみ、前記マイクロ波透過窓の径方向外側に
向って減少することを特徴とする請求項1記載のプラズ
マ処理装置により、または請求項8に記載したように、
前記マイクロ波透過窓は、前記内面に対向する外面が平
坦面よりなることを特徴とする請求項1〜7のうち、い
ずれか一項記載のプラズマ処理装置により、または請求
項9に記載したように、前記マイクロ波透過窓は、内部
にプラズマガス通路を有し、前記処理容器中にプラズマ
ガスを放出する前記プラズマガス供給部を構成すること
を特徴とする請求項1〜8のうち、いずれか一項記載の
プラズマ処理装置により、または請求項10に記載した
ように、前記マイクロ波透過窓は、前記プラズマガス通
路に連通する複数の開口部を有することを特徴とする請
求項9記載のプラズマ処理装置により、または請求項1
1に記載したように、マイクロ波透過窓は、前記処理容
器の外壁の一部を構成するカバープレートと、前記カバ
ープレートに密接して設けられ、前記プラズマガス通路
とこれに連通する複数の開口部とを有するシャワープレ
ートよりなることを特徴とする請求項9記載のプラズマ
処理装置により、または請求項12に記載したように、
前記マイクロ波透過窓は緻密なセラミックよりなること
を特徴とする請求項8または11記載のプラズマ処理装
置により、または請求項13に記載したように、前記マ
イクロ波透過窓は、多孔質媒体より構成されることを特
徴とする請求項9記載のプラズマ処理装置により、また
は請求項14に記載したように、前記マイクロ波透過窓
は、前記処理容器の一部を構成するカバープレートと、
前記カバープレートに密接して設けられた多孔質媒体よ
りなるシャワープレートとよりなることを特徴とする請
求項9記載のプラズマ処理装置により、または請求項1
5に記載したように、前記多孔質媒体は、焼結セラミッ
クよりなることを特徴とする請求項13または14記載
のプラズマ処理装置により、または請求項16に記載し
たように、前記プラズマガス供給部は、前記処理容器外
壁に形成された、プラズマガス源に接続可能な管よりな
ることを特徴とする請求項1〜8のうち、いずれか一項
記載のプラズマ処理装置により、または請求項17に記
載したように、前記マイクロ波透過窓は、緻密なセラミ
ックよりなることを特徴とする請求項16記載のプラズ
マ処理装置により、または請求項18に記載したよう
に、さらに、前記被処理基板と前記プラズマガス源との
間に、処理ガス供給部を設けたことを特徴とする請求項
1〜17のうち、いずれか一項記載のプラズマ処理装置
により、または請求項19に記載したように、前記処理
ガス供給部は、プラズマを通過させるプラズマ通路と、
処理ガス源に接続可能な処理ガス通路と、前記処理ガス
通路に連通した多数のノズル開口部とを有することを特
徴とする請求項18記載のプラズマ処理装置により、ま
たは請求項20に記載したように、さらに前記保持台に
接続された高周波電源を含むことを特徴とする請求項1
〜19のうち、いずれか一項記載のプラズマ処理装置に
より、または請求項21に記載したように、前記マイク
ロ波アンテナはラジアルラインスロットアンテナよりな
ることを特徴とする請求項1〜20のうち、いずれか一
項記載のプラズマ処理装置により、解決する。 [作用]本発明によれば、前記シャワープレートの被処
理基板に対面する側に凹面を形成することにより、被処
理基板周辺部において高密度プラズマが形成されるシャ
ワープレート下面と被処理基板表面との間の間隔が減少
し、シャワープレート周辺部におけるプラズマ密度の低
下が補償される。その結果、エッチングなど低圧におけ
るプラズマ処理を行った場合にも被処理基板表面近傍に
おいて安定で均一なプラズマが維持される。またかかる
構成により、プラズマの着火も促進される。かかる凹面
形成によるプラズマの安定化は、被処理基板とプラズマ
ガス供給部の間に処理ガス供給部を設けた構成のみなら
ず、処理ガス供給部を省略した構成に対しても適用可能
である。
【0019】かかる凹面を有するシャワープレートとし
ては、プラズマガス通路とこれに連通した多数の開口部
を形成された緻密なセラミック部材を使うことが可能で
あるが、前記緻密なセラミック部材の代わりに多孔質セ
ラミック部材を使うことも可能である。これらのシャワ
ープレートは、処理容器外壁の一部をなしプラズマ透過
窓を構成する緻密なカバープレートに密接して設けられ
るが、本発明においてはさらにマイクロ波透過窓自体に
前記凹部を形成し、プラズマガスを別途、シャワープレ
ートを使わずに、管などにより前記処理室中に導入する
ことも可能である。
【0020】本発明によるシャワープレートあるいはマ
イクロ波透過窓では、前記凹面をなす内面に対向する外
面が平坦面であると、マイクロ波アンテナとの密着が容
易に確保でき、アンテナを介したシャワープレートの冷
却が可能となるため有利である。
【0021】
【発明の実施の形態】[第1実施例]図2(A),
(B)は、本発明の第1実施例によるマイクロ波プラズ
マ処理装置10の構成を示す。
【0022】図2(A)を参照するに、前記マイクロ波
プラズマ処理装置10は処理容器11と、前記処理容器
11内に設けられ、被処理基板12を静電チャックによ
り保持する好ましくは熱間等方圧加圧法(HIP)によ
り形成されたAlNもしくはAl23よりなる保持台1
3とを含み、前記処理容器11内には前記保持台13を
囲む空間11Aに等間隔に、すなわち前記保持台13上
の被処理基板12に対して略軸対称な関係で少なくとも
二箇所、好ましくは三箇所以上に排気ポート11aが形
成されている。前記処理容器11は、かかる排気ポート
11aを介して不等ピッチ不等傾角スクリューポンプ等
により、排気・減圧される。
【0023】前記処理容器11は好ましくはAlを含有
するオーステナイトステンレス鋼よりなり、内壁面には
酸化処理により酸化アルミニウムよりなる保護膜が形成
されている。また前記処理容器11の外壁のうち前記被
処理基板12に対応する部分には、HIP法により形成
された緻密なAl23よりなり多数のノズル開口部14
Aを形成されたディスク状のシャワープレート14が、
前記外壁の一部として形成される。かかるHIP法によ
り形成されたAl23シャワープレート14はY23
焼結助剤として使って形成され、気孔率が0.03%以
下で実質的に気孔やピンホールを含んでおらず、30W
/m・Kに達する、セラミックとしては非常に大きな熱
伝導率を有する。
【0024】前記シャワープレート14は前記処理容器
11上にシールリング11sを介して装着され、さらに
前記シャワープレート14上には同様なHIP処理によ
り形成された緻密なAl23よりなるカバープレート1
5が、シールリング11tを介して設けられている。前
記シャワープレート14の前記カバープレート15と接
する側には前記ノズル開口部14Aの各々に連通しプラ
ズマガス流路となる凹部14Bが形成されており、前記
凹部14Bは前記シャワープレート14の内部に形成さ
れ、前記処理容器11の外壁に形成されたプラズマガス
入口11pに連通する別のプラズマガス流路14Cに連
通している。
【0025】前記シャワープレート14は前記処理容器
11の内壁に形成された張り出し部11bにより保持さ
れており、前記張り出し部11bのうち、前記シャワー
プレート14を保持する部分には異常放電を抑制するた
めに丸みが形成されている。
【0026】そこで、前記プラズマガス入口11pに供
給されたArやKr等のプラズマガスは前記シャワープ
レート14内部の流路14Cおよび14Bを順次通過し
た後、前記開口部14Aを介して前記シャワープレート
14直下の空間11B中に一様に供給される。
【0027】前記カバープレート15上には、前記カバ
ープレート15に密接し図3(B)に示す多数のスロッ
ト16a,16bを形成されたディスク状のスロット板
16と、前記スロット板16を保持するディスク状のア
ンテナ本体17と、前記スロット板16と前記アンテナ
本体17との間に挟持されたAl23,Si34,Si
ONあるいはSiO2等の低損失誘電体材料よりなる遅
相板18とにより構成されたラジアルラインスロットア
ンテナ20が設けられている。前記ラジアルスロットラ
インアンテナ20は前記処理容器11上にシールリング
11uを介して装着されており、前記ラジアルラインス
ロットアンテナ20には矩形あるいは円形断面を有する
同軸導波管21を介して外部のマイクロ波源(図示せ
ず)より周波数が2.45GHzあるいは8.3GHz
のマイクロ波が供給される。供給されたマイクロ波は前
記スロット板16上のスロット16a,16bから前記
カバープレート15およびシャワープレート14を介し
て前記処理容器11中に放射され、前記シャワープレー
ト14直下の空間11Bにおいて、前記開口部14Aか
ら供給されたプラズマガス中にプラズマを励起する。そ
の際、前記カバープレート15およびシャワープレート
14はAl23により形成されており、効率的なマイク
ロ波透過窓として作用する。その際、前記プラズマガス
流路14A〜14Cにおいてプラズマが励起されるのを
回避するため、前記プラズマガスは、前記流路14A〜
14Cにおいて約6666Pa〜13332Pa(約5
0〜100Torr)の圧力に保持される。
【0028】前記ラジアルラインスロットアンテナ20
と前記カバープレート15との密着性を向上させるた
め、本実施例のマイクロ波プラズマ処理装置10では前
記スロット板16に係合する前記処理容器11の上面の
一部にリング状の溝11gが形成されており、かかる溝
11gを、これに連通した排気ポート11Gを介して排
気することにより、前記スロット板16とカバープレー
ト15との間に形成された隙間を減圧し、大気圧によ
り、前記ラジアルラインスロットアンテナ20を前記カ
バープレート15にしっかりと押し付けることが可能に
なる。かかる隙間には、前記スロット板16に形成され
たスロット16a,16bが含まれるが、それ以外にも
カバープレート15表面の微細な凹凸など様々な理由に
より隙間が形成されることがある。かかる隙間は、前記
ラジアルラインスロットアンテナ20と処理容器11と
の間のシールリング11uにより封止されている。
【0029】さらに前記排気ポート11Gおよび溝15
gを介して前記スロット板16と前記カバープレート1
5との間の隙間に分子量の小さい不活性気体を充填する
ことにより、前記カバープレート15から前記スロット
板16への熱の輸送を促進することができる。かかる不
活性気体としては、熱伝導率が大きくしかもイオン化エ
ネルギの高いHeを使うのが好ましい。前記隙間にHe
を充填する場合には、0.8気圧程度の圧力に設定する
のが好ましい。図3の構成では、前記溝15gの排気お
よび溝15gへの不活性気体の充填のため、前記排気ポ
ート11Gにバルブ11Vが接続されている。
【0030】前記同軸導波管21Aのうち、外側の導波
管21Aは前記ディスク状のアンテナ本体17に接続さ
れ、中心導体21Bは、前記遅波板18に形成された開
口部を介して前記スロット板16に接続されている。そ
こで前記同軸導波管21Aに供給されたマイクロ波は、
前記アンテナ本体17とスロット板16との間を径方向
に進行しながら、前記スロット16a,16bより放射
される。
【0031】図2(B)は前記スロット板16上に形成
されたスロット16a,16bを示す。
【0032】図2(B)を参照するに、前記スロット1
6aは同心円状に配列されており、各々のスロット16
aに対応して、これに直行するスロット16bが同じく
同心円状に形成されている。前記スロット16a,16
bは、前記スロット板16の半径方向に、前記遅相板1
8により圧縮されたマイクロ波の波長に対応した間隔で
形成されており、その結果マイクロ波は前記スロット板
16から略平面波となって放射される。その際、前記ス
ロット16aおよび16bを相互の直交する関係で形成
しているため、このようにして放射されたマイクロ波
は、二つの直交する偏波成分を含む円偏波を形成する。
【0033】本実施例のプラズマ処理装置10では、前
記シャワープレート14の前記被処理基板12に対面す
る側の表面が凹面形状の湾曲面を形成しており、その結
果前記シャワープレート14と被処理基板12の表面に
一致する平面との間の間隔Dが、前記シャワープレート
14の半径方向上外方に向って滑らかに減少する。すな
わち前記凹面形状は軸対称な曲面により画成されてお
り、前記間隔Dが前記被処理基板12の周辺部において
減少するため、かかる被処理基板周辺部におけるプラズ
マ密度の低下の問題が解消される。
【0034】これにより、前記プラズマ処理装置10で
はドライエッチングなど、低圧環境化で行う必要のある
プラズマ処理を行ってもプラズマ密度がカットオフ密度
以下に低下することがなく、プラズマが安定に維持さ
れ、被処理基板12周辺部におけるプラズマの消滅やマ
イクロ波による基板の損傷、あるいは処理速度の低下な
どの問題を回避することができる。
【0035】さらに図2(A)のプラズマ処理装置10
では、前記アンテナ本体17上に、冷却水通路19Aを
形成された冷却ブロック19が形成されており、前記冷
却ブロック19を前記冷却水通路19A中の冷却水によ
り冷却することにより、前記シャワープレート14に蓄
積された熱を、前記ラジアルラインスロットアンテナ2
0を介して吸収する。前記冷却水通路19Aは前記冷却
ブロック19上においてスパイラル状に形成されてお
り、好ましくはH2ガスをバブリングすることで溶存酸
素を排除して且つ酸化還元電位を制御した冷却水が通さ
れる。
【0036】また、図2(A)のマイクロ波プラズマ処
理装置10では、前記処理容器11中、前記シャワープ
レート14と前記保持台13上の被処理基板12との間
に、前記処理容器11の外壁に設けられた処理ガス注入
口11rから処理ガスを供給されこれを多数の処理ガス
ノズル開口部31B(図3参照)から放出する格子状の
処理ガス通路31Aを有する処理ガス供給構造31が設
けられ、前記処理ガス供給構造31と前記被処理基板1
2との間の空間11Cにおいて、所望の均一な基板処理
がなされる。かかる基板処理には、プラズマ酸化処理、
プラズマ窒化処理、プラズマ酸窒化処理、プラズマCV
D処理等が含まれる。また、前記処理ガス供給構造31
から前記空間11CにC、CまたはC
などの解離しやすいフルオロカーボンガスや、F系あ
るいはCl系等のエッチングガスを供給し、前記保持台
13に高周波電源13Aから高周波電圧を印加すること
により、前記被処理基板12に対して反応性イオンエッ
チングを行うことが可能である。
【0037】本実施例によるマイクロ波プラズマ処理装
置10では、前記処理容器11の外壁は150°C程度
の温度に加熱しておくことにより、処理容器内壁への反
応副生成物等の付着が回避され、一日に一回程度のドラ
イクリーニング行うことで、定常的に、安定して運転す
ることが可能である。
【0038】図4は、図2(A)の構成における処理ガ
ス供給構造31の構成を示す底面図である。
【0039】図4を参照するに、前記処理ガス供給構造
31は例えばMgを含んだAl合金やAl添加ステンレ
ススチール等の導電体より構成されており、前記格子状
処理ガス通路31Aは前記処理ガス注入口11rに処理
ガス供給ポート31Rにおいて接続され、下面形成され
た多数の処理ガスノズル開口部31Bから処理ガスを前
記空間11Cに均一に放出する。また、前記処理ガス供
給構造31には、隣接する処理ガス通路31Aの間にプ
ラズマやプラズマ中に含まれる処理ガスを通過させる開
口部31Cを形成されている。前記処理ガス供給構造3
1をMg含有Al合金により形成する場合には、表面に
弗化物膜を形成しておくのが好ましい。また前記処理ガ
ス供給構造31をAl添加ステンレススチールにより形
成する場合には、表面に酸化アルミニウムの不動態膜を
形成しておくのが望ましい。本発明によるプラズマ処理
装置10では、励起される励起されるプラズマ中の電子
温度が低いためプラズマの入射エネルギが小さく、かか
る処理ガス供給構造31がスパッタリングされて被処理
基板12に金属汚染が生じる問題が回避される。前記処
理ガス供給構造31は、アルミナ等のセラミックスによ
り形成することも可能である。
【0040】前記格子状処理ガス通路31Aおよび処理
ガスノズル開口部31Bは図4に破線で示した被処理基
板12よりもやや大きい領域をカバーするように設けら
れている。かかる処理ガス供給構造31を前記シャワー
プレート14と被処理基板12との間に設けることによ
り、原料ガスやエッチングガスなどの処理ガスをプラズ
マ励起し、かかるプラズマ励起された処理ガスにより、
均一に処理することが可能になる。
【0041】前記処理ガス供給構造31を金属等の導体
により形成する場合には、前記格子状処理ガス通路31
A相互の間隔を前記マイクロ波の波長よりも短く設定す
ることにより、前記処理ガス供給構造31はマイクロ波
の短絡面を形成する。この場合にはプラズマのマイクロ
波励起は前記空間11B中においてのみ生じ、前記被処
理基板12の表面を含む空間11Cにおいては前記励起
空間11Bから拡散してきたプラズマにより、処理ガス
が活性化される。
【0042】本実施例によるマイクロ波プラズマ処理装
置10では、処理ガス供給構造31を使うことにより処
理ガスの供給が一様に制御されるため、処理ガスの被処
理基板12表面における過剰解離の問題を解消すること
ができ、被処理基板12の表面にアスペクト比の大きい
構造が形成されている場合でも、所望の基板処理を、か
かる高アスペクト構造の奥にまで実施することが可能で
ある。すなわち、マイクロ波プラズマ処理装置10は、
設計ルールの異なる多数の世代の半導体装置の製造に有
効である。
【0043】図5のプラズマ処理装置10Bでは、前記
処理ガス供給構造13から様々な酸化ガスや窒化ガス、
原料ガスやエッチングガスを導入することにより、前記
被処理基板12の表面の全面に、前記被処理基板12が
大口径基板であっても様々な高品質膜を低温で、均一に
堆積し、あるいは前記表面を均一にエッチングすること
が可能である。
【0044】図4は、前記シャワープレート14の様々
な変形例によるシャワープレート141〜144の構成を
示す。
【0045】図4を参照するに、前記シャワープレート
141は前記被処理基板12に対面する側に円錐形状の
凹面を有するのに対し、前記シャワープレート142
円錐台形状の凹面を有するのがわかる。さらに前記シャ
ワープレート143では円形の凹部が段差形状を形成し
ており、前記シャワープレート144では複数の段差形
状凹部が形成されている。これらの凹部はいずれも前記
シャワープレートの中心軸に対して軸対称に形成されて
おり、前記中心軸の回りで均一な処理が保証される。 [第2実施例]図5は、本発明の第2実施例によるプラ
ズマ処理装置10Aの構成を示す。ただし図5中、先に
説明した部分には同一の参照符号を付し、説明を省略す
る。
【0046】図5を参照するに、プラズマ処理装置10
Aは前記プラズマ処理装置10と類似した構成を有し、
前記被処理基板12とシャワープレート14との間隔D
が、前記シャワープレート14の半径方向上外方に向っ
て減少するが、前記プラズマ処理装置10Aでは前記処
理ガス供給部13が撤去されている。
【0047】かかる構成のプラズマ処理装置10Bで
は、前記下段シャワープレート31が省略されているた
めプラズマガスとは別に処理ガスを供給して成膜やエッ
チングを行うことはできないが、前記シャワープレート
14からプラズマガスとともに酸化ガスあるいは窒化ガ
スを供給することにより、被処理基板表面に酸化膜や窒
化膜、あるいは酸窒化膜を形成することが可能である。
本実施例のプラズマ処理装置10Aでは、構成が簡素化
され、製造費用を大きく低減することが可能である。
【0048】本実施例においても、前記間隔Dが被処理
基板12の周辺部において減少するため、被処理基板1
2周辺部におけるプラズマ密度の低下が補償され、プラ
ズマが安定に維持され、被処理基板12周辺部における
プラズマの消滅やマイクロ波による基板の損傷、あるい
は処理速度の低下などの問題を回避することができる。
【0049】図5のプラズマ処理装置10Aでは、特に
被処理基板12の酸化処理や窒化処理、酸窒化処理など
を、前記被処理基板が大口径基板であっても、低温で、
効率的に、しかも均一に、安い費用で行うことが可能で
ある。
【0050】本実施例においても、前記シャワープレー
ト14の代わりに図4で説明したシャワープレート14
1〜143を使うことが可能である。 [第3実施例]図6は本発明の第3実施例によるプラズ
マ処理装置10Bの構成を示す。ただし図6中、先に説
明した部分に対応する部分には同一の参照符号を付し、
説明を省略する。
【0051】図6を参照するに、本実施例においては前
記シャワープレート14の代わりに焼結アルミナなど、
多孔質セラミックよりなるシャワープレート14Pを使
う。
【0052】前記シャワープレート14P中にはシャワ
ープレート14中におけるようなシャワー開口部14A
は形成されていないが、プラズマガス供給ポート11P
に接続されたプラズマガス供給路14Cおよび14Bが
形成されており、供給されたプラズマガスは、前記プラ
ズマガス供給路14Bから前記多孔質シャワープレート
14P中の気孔を通って、前記空間11Bへと、一様に
放出される。
【0053】本実施例においても、前記シャワープレー
ト14Pの下面は軸対称な凹面を形成し、前記下面と被
処理基板12の表面との間の間隔Dは、被処理基板12
の周辺部に向って減少する。このため、図6の構成にお
いては前記被処理基板12の周辺部におけるプラズマ密
度の低下が補償され、プラズマが安定に維持され、被処
理基板12周辺部におけるプラズマの消滅やマイクロ波
による基板の損傷、あるいは処理速度の低下などの問題
を回避することができる。
【0054】図6のプラズマ処理装置10Bでは、前記
処理ガス供給構造13から様々な酸化ガスや窒化ガス、
原料ガスやエッチングガスを導入することにより、前記
被処理基板12の表面の全面に様々な高品質膜を低温
で、均一に堆積し、あるいは前記表面を均一にエッチン
グすることが可能である。
【0055】本実施例においても、前記多孔質シャワー
プレート14Pの凹面として、図4に示した様々な凹面
を形成することができる。 [第4実施例]図7は、本発明の第4実施例によるプラ
ズマ処理装置10Cの構成を示す。ただし図7中、先に
説明した部分には同一の参照符号を付し、説明を省略す
る。
【0056】図7を参照するに、本実施例のプラズマ処
理装置10Cは、先のプラズマ処理装置10Bと同様な
構成を有するが、前記下段シャワープレート31が撤去
されている。また、前記シャワープレート14を保持す
る前記張り出し部11bの全面に丸みが形成されてい
る。
【0057】かかる構成のプラズマ処理装置10Cで
は、前記下段シャワープレート31が省略されているた
めプラズマガスとは別に処理ガスを供給して成膜やエッ
チングを行うことはできないが、前記シャワープレート
14からプラズマガスとともに酸化ガスあるいは窒化ガ
スを供給することにより、被処理基板表面に酸化膜や窒
化膜、あるいは酸窒化膜を形成することが可能である。
【0058】本実施例においても、前記シャワープレー
ト14Pの下面は軸対称な凹面を形成し、前記下面と被
処理基板12の表面との間の間隔Dは、被処理基板12
の周辺部に向って減少する。このため、図7の構成にお
いては前記被処理基板12の周辺部におけるプラズマ密
度の低下が補償され、プラズマが安定に維持され、被処
理基板12周辺部におけるプラズマの消滅やマイクロ波
による基板の損傷、あるいは処理速度の低下などの問題
を回避することができる。
【0059】図7のプラズマ処理装置10Cでは、特に
被処理基板12の酸化処理や窒化処理、酸窒化処理など
を、前記被処理基板が大口径基板であっても、低温で、
効率的に、しかも均一に、安い費用で行うことが可能で
ある。
【0060】本実施例のシャワープレート14Pにおい
ても、図4に示した様々な凹面を使うことができる。 [第5実施例]図8は、本発明の第5実施例によるプラ
ズマ処理装置10Dの構成を示す。ただし図8中、先に
説明した部分には同一の参照符号を付し、説明を省略す
る。
【0061】図8を参照するに、実施例においては図6
の実施例における多孔質シャワープレート14Pおよび
カバープレート15が撤去され、かわりに前記被処理基
板12に対面する側に凹面を有する緻密なセラミックよ
りなるマイクロ波透過窓14Qが設けられる。前記マイ
クロ波透過窓14は、誘電損失の少ない材料、例えばH
IP処理したアルミナなどにより形成することができ
る。
【0062】図8の構成では、前記マイクロ波透過窓1
4Qは前記カバープレート15の機能を果たすが、図6
の実施例におけるプラズマガス通路14Cやこれに連通
する開口部14Aは形成されておらず、別に処理容器1
1の外壁に、管11Pよりなるプラズマガス導入部が形
成されている。また前記マイクロ波透過窓14Q上には
ラジアルラインスロットアンテナ20が密接して設けら
れている。前記プラズマガス導入管11Pは、前記被処
理基板12の周囲に対称的に配設されるのが好ましい。
【0063】かかる構成では、前記マイクロ波透過窓1
4Qの下面は軸対称な凹面を形成し、前記下面と被処理
基板12の表面との間の間隔Dは、被処理基板12の周
辺部に向って減少する。このため、図8の構成において
は前記被処理基板12の周辺部におけるプラズマ密度の
低下が補償され、プラズマが安定に維持され、被処理基
板12周辺部におけるプラズマの消滅やマイクロ波によ
る基板の損傷、あるいは処理速度の低下などの問題を回
避することができる。
【0064】図8のプラズマ処理装置10Dでは、特に
被処理基板12の酸化処理や窒化処理、酸窒化処理など
を、前記被処理基板が大口径基板であっても、低温で、
効率的に、しかも均一に、安い費用で行うことが可能で
ある。特にプラズマガスを導入するための構成が簡素化
され、費用の低減に寄与する。
【0065】本実施例のプラズマ透過窓においても、図
4に示した様々な凹面を使うことができる。 [第6実施例]図9は、本発明の第6実施例によるプラ
ズマ処理装置10Eの構成を示す。ただし図9中、先に
説明した部分には同一の参照符号を付し、説明を省略す
る。
【0066】図9を参照するに、本実施例のプラズマ処
理装置10Eは先のプラズマ処理装置10Dと類似した
構成を有するが、前記処理ガス供給構造31が撤去され
ている。
【0067】かかる構成によれば、前記プラズマガス導
入管11PよりKrやArなどの不活性ガスとO2ガス
などの酸化性ガスあるいはNH3ガスあるいはN2とH2
の混合ガスなど窒化性ガスを供給することにより、前記
被処理基板12の表面に高品質の酸化膜や窒化膜、ある
いは酸窒化膜を、低温で効率よく形成することが可能に
なる。
【0068】その際、本実施例では前記マイクロ波透過
窓14Qの下面と被処理基板12との間の間隔Dが前記
被処理基板12の周辺部において減少しているため、前
記被処理基板12周辺部において十分なプラズマ密度が
確保され、前記被処理基板12の処理が、均一に行われ
る。
【0069】本実施例のマイクロ波窓14Qにおいて
も、図4に示した様々な凹面を使うことができる。 [第7実施例]図10は、本発明の第7実施例によるプ
ラズマ処理装置10Fの構成を示す。ただし図10中、
先に説明した部分には同一の参照符号を付し、説明を省
略する。
【0070】図10を参照するに、本実施例では前記誘
電体窓14Qの代わりに一様な厚さの誘電体窓14Q’
により構成されている。
【0071】かかる誘電体窓14Q’では、凹面を形成
する下面に対応して、上面が凸面を形成する。そこで図
10のプラズマ処理装置10では、平坦な前記ラジアル
ラインスロットアンテナ20の代わりに前記凸面に対応
した凹面を有するラジアルラインスロットアンテナ2
0’を使う。すなわち、前記ラジアルラインスロットア
ンテナ20’は凹面を形成するスロット板16’を有
し、前記スロット板16’上には凹面を形成するアンテ
ナ本体17’が、間に湾曲した遅相板18’を介して装
着されている。
【0072】かかる構成のプラズマ処理装置10Fにお
いても、前記被処理基板12の周辺部におけるプラズマ
密度の低下を補償でき、前記処理ガス供給部31より様
々な処理ガスを供給することにより、被処理基板12の
全面にわたり、酸化や窒化、酸窒化、さらに様々な層の
堆積およびエッチングなど、様々なプラズマ処理を、均
一に、かつ安定に行うことが可能になる。 [第8実施例]図11は、本発明の第8実施例によるプ
ラズマ処理装置10Gの構成を示す。ただし図11中、
先に説明した部分には同一の参照符号を付し、説明を省
略する。
【0073】図11を参照するに、本実施例のプラズマ
処理装置10Gは先の実施例のプラズマ処理装置10F
と同様な構成を有するが、本実施例では前記処理ガス供
給部31が撤去されている。
【0074】かかる構成のプラズマ処理装置10Gにお
いても、前記被処理基板12の周辺部におけるプラズマ
密度の低下を補償でき、被処理基板12の全面にわた
り、酸化や窒化、酸窒化などの均一なプラズマ処理を安
定に行うことが可能になる。
【0075】本発明は上記特定の実施例に限定されるも
のではなく、特許請求の範囲に記載した本発明の要旨内
において様々な変形・変更が可能である。
【0076】
【発明の効果】本発明によれば、被処理基板の周辺部に
おけるプラズマ密度の低下を補償でき、低圧処理におい
てもプラズマが維持され、安定なプラズマ処理が可能に
なる。
【図面の簡単な説明】
【図1】(A),(B)は、従来のラジアルラインスロ
ットアンテナを使ったマイクロ波プラズマ処理装置の構
成を示す図である。
【図2】(A),(B)は、本発明の第1実施例による
プラズマ処理装置の構成を示す図である。
【図3】図2(A),(B)のプラズマ処理装置で使わ
れる処理ガス供給構造の構成を示す底面図である。
【図4】図2(A),(B)のプラズマ処理装置の様々
な変形例を示す図である。
【図5】本発明の第2実施例によるプラズマ処理装置の
構成を示す図である。
【図6】本発明の第3実施例によるプラズマ処理装置の
構成を示す図である。
【図7】本発明の第4実施例によるプラズマ処理装置の
構成を示す図である。
【図8】本発明の第5実施例によるプラズマ処理装置の
構成を示す図である。
【図9】本発明の第6実施例によるプラズマ処理装置の
構成を示す図である。
【図10】本発明の第7実施例によるプラズマ処理装置
の構成を示す図である。
【図11】本発明の第8実施例によるプラズマ処理装置
の構成を示す図である。
【符号の説明】
10,10A〜10G,100 プラズマ処理装置 11 処理容器 11a 排気ポート 11b 張り出し部 11p プラズマガス供給ポート 11r 処理ガス供給ポート 11A,11B,11C 空間 11G 減圧およびHe供給ポート 11P プラズマガス導入口 12 被処理基板 13 保持台 13A 高周波電源 14 シャワープレート 14P 多孔質シャワープレート 14A プラズマガスノズル開口部 14B,14C プラズマガス通路 14Q、14Q’ マイクロ波透過窓 15 カバープレート 16,16’ スロット板 16a,16b スロット開口部 17,17’ アンテナ本体 18,18’ 遅波板 18A,18B リング状部材 19 冷却ブロック 19A 冷却水通路 20,20’ ラジアルラインアンテナ 21 同軸導波管 21A 外側導波管 21B 内側給電線 31 処理ガス供給構造 31A 処理ガス通路 31B 処理ガスノズル 31C プラズマ拡散通路 31R 処理ガス供給ポート
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 平山 昌樹 宮城県仙台市青葉区荒巻字青葉 東北大学 内 (72)発明者 須川 成利 宮城県仙台市青葉区荒巻字青葉 東北大学 内 (72)発明者 後藤 哲也 宮城県仙台市青葉区荒巻字青葉 東北大学 内 Fターム(参考) 4G075 AA24 AA42 BC04 BC06 BD14 CA26 CA47 CA63 CA65 DA02 EA06 EB01 EC01 EC13 EC30 EE01 FB02 FB04 FC01 4K030 BA38 BA42 EA05 FA01 JA03 KA30 KA46 LA18 5F004 AA01 BA20 BB11 BB14 BB18 BB28 BC08 BD04 DA00 DA01 DA02 DA03 DA04 DA05 DA11 DA12 DA13 DA14 DA15 DA16 DA17 DA18 DA19 DA20 DA29 5F045 AA09 AB32 AB33 AB34 AE23 AE25 BB02 DP03 DQ10 EF04 EF05 EH02 EH03

Claims (21)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 外壁により画成され、被処理基板を保持
    する保持台を備えた処理容器と、 前記処理容器に結合された排気系と、 前記処理容器上に、前記保持台上の被処理基板に対面す
    るように、前記外壁の一部として設けられたマイクロ波
    透過窓と、 前記処理容器中にプラズマガスを供給するプラズマガス
    供給部と、 前記処理容器上に、前記マイクロ波に対応して設けられ
    たマイクロ波アンテナとよりなり、 前記マイクロ波透過窓は、前記被処理基板と対面する側
    の内面が、前記被処理基板表面に一致する平面との間の
    間隔が、前記マイクロ波透過窓の径方向外側に向って減
    少する凹面形状を有することを特徴とするプラズマ処理
    装置。
  2. 【請求項2】 前記間隔は、前記マイクロ波透過窓の径
    方向外側に向って連続的に減少することを特徴とする請
    求項1記載のプラズマ処理装置。
  3. 【請求項3】 前記間隔は、前記マイクロ波透過窓の径
    方向外側に向って滑らかに減少することを特徴とする請
    求項2記載のプラズマ処理装置。
  4. 【請求項4】 前記間隔は、前記マイクロ波透過窓の径
    方向外側に向って直線的に減少することを特徴とする請
    求項2または3記載のプラズマ処理装置。
  5. 【請求項5】 前記間隔は、前記マイクロ波透過窓の径
    方向外側に向って非直線的に減少することを特徴とする
    請求項2または3記載のプラズマ処理装置。
  6. 【請求項6】 前記間隔は、前記マイクロ波透過窓の径
    方向外側に向って階段状に減少することを特徴とする請
    求項1記載のプラズマ処理装置。
  7. 【請求項7】 前記間隔は、前記マイクロ波透過窓の周
    辺部においてのみ、前記マイクロ波透過窓の径方向外側
    に向って減少することを特徴とする請求項1記載のプラ
    ズマ処理装置。
  8. 【請求項8】 前記マイクロ波透過窓は、前記内面に対
    向する外面が、平坦面よりなることを特徴とする請求項
    1〜7のうち、いずれか一項記載のプラズマ処理装置。
  9. 【請求項9】 前記マイクロ波透過窓は、内部にプラズ
    マガス通路を有し、前記処理容器中にプラズマガスを放
    出する前記プラズマガス供給部を構成することを特徴と
    する請求項1〜8のうち、いずれか一項記載のプラズマ
    処理装置。
  10. 【請求項10】 前記マイクロ波透過窓は、前記プラズ
    マガス通路に連通する複数の開口部を有することを特徴
    とする請求項9記載のプラズマ処理装置。
  11. 【請求項11】 マイクロ波透過窓は、前記処理容器の
    外壁の一部を構成するカバープレートと、前記カバープ
    レートに密接して設けられ、前記プラズマガス通路とこ
    れに連通する複数の開口部とを有するシャワープレート
    よりなることを特徴とする請求項10記載のプラズマ処
    理装置。
  12. 【請求項12】 前記マイクロ波透過窓は緻密なセラミ
    ックよりなることを特徴とする請求項10または11記
    載のプラズマ処理装置。
  13. 【請求項13】 前記マイクロ波透過窓は、多孔質媒体
    より構成されることを特徴とする請求項9記載のプラズ
    マ処理装置。
  14. 【請求項14】 前記マイクロ波透過窓は、前記処理容
    器の一部を構成するカバープレートと、前記カバープレ
    ートに密接して設けられた多孔質媒体よりなるシャワー
    プレートとよりなることを特徴とする請求項9記載のプ
    ラズマ処理装置。
  15. 【請求項15】 前記多孔質媒体は、焼結セラミックよ
    りなることを特徴とする請求項13または14記載のプ
    ラズマ処理装置。
  16. 【請求項16】 前記プラズマガス供給部は、前記処理
    容器外壁に形成された、プラズマガス源に接続可能な管
    よりなることを特徴とする請求項1〜8のうち、いずれ
    か一項記載のプラズマ処理装置。
  17. 【請求項17】 前記マイクロ波透過窓は、緻密なセラ
    ミックよりなることを特徴とする請求項16記載のプラ
    ズマ処理装置。
  18. 【請求項18】 さらに、前記被処理基板と前記プラズ
    マガス源との間に、処理ガス供給部を設けたことを特徴
    とする請求項1〜17のうち、いずれか一項記載のプラ
    ズマ処理装置。
  19. 【請求項19】 前記処理ガス供給部は、プラズマを通
    過させるプラズマ通路と、処理ガス源に接続可能な処理
    ガス通路と、前記処理ガス通路に連通した多数のノズル
    開口部とを有することを特徴とする請求項18記載のプ
    ラズマ処理装置。
  20. 【請求項20】 さらに前記保持台に接続された高周波
    電源を含むことを特徴とする請求項1〜19のうち、い
    ずれか一項記載のプラズマ処理装置。
  21. 【請求項21】 前記マイクロ波アンテナはラジアルラ
    インスロットアンテナよりなることを特徴とする請求項
    1〜20のうち、いずれか一項記載のプラズマ処理装
    置。
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