JP2004235432A

JP2004235432A - Plasma processing system

Info

Publication number: JP2004235432A
Application number: JP2003022074A
Authority: JP
Inventors: Hisakuni Shinohara; 壽邦篠原
Original assignee: Rohm Co Ltd
Current assignee: Rohm Co Ltd
Priority date: 2003-01-30
Filing date: 2003-01-30
Publication date: 2004-08-19
Anticipated expiration: 2023-01-30
Also published as: JP3934560B2

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a plasma processing system capable of processing the surface of a sample uniformly. <P>SOLUTION: The plasma processing system comprises a microwave generator 1, a first dielectric 15 connected with the microwave generator 1 and having a rectangular cross-section along the processing surface of the sample 12 where two opposite sides are parallel and making the field strength distribution of the microwave generated by the microwave generator 1 substantially uniform along the processing surface of the sample 12, and a means for processing the sample 12 using plasma generated in a reactor 4 by the microwave wherein the interval L<SB>d1</SB>of two opposite sides of the first dielectric 15 substantially satisfies following expression (1) L<SB>d1</SB>=n<SB>d1</SB>(λ<SB>1</SB>/2), where λ<SB>1</SB>is the wavelength of a microwave in the first dielectric and n<SB>d1</SB>is an integer of 1 or above. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO&NCIPI

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、マイクロ波により発生したプラズマを利用するプラズマ処理装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、ＩＣ（ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄｃｉｒｃｕｉｔ）の微細化及びウェハの大口径化が進み、それに伴い大口径な薄膜を均一に作成することが要求されている。特に、ゲート酸化膜は、ＩＣの特性を左右するため薄く均一に形成する必要がある。そこでゲート酸化膜等の薄膜を、マイクロ波（例えば、２．４５ＧＨｚ）を用いたプラズマ処理装置により形成している。このマイクロ波を用いたプラズマ処理装置では、高い周波数を有するマイクロ波により高密度、低電子温度のプラズマを得ることができる。よって、ゲート酸化膜等の薄膜への電気的破壊や物理的破壊の影響を抑えることができる。このようにマイクロ波を用いると効率よくダメージの少ない薄膜を形成することができるが、マイクロ波の波長はウェハ径と同程度であるため、マイクロ波により大口径な薄膜を均一に作成する場合、後述の波の性質による影響を受け易い。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
プラズマ処理装置において、プラズマを発生させるためのマイクロ波が伝搬する領域である誘電体等は、試料（例えばシリコンウェハ）の形状に合わせて、円筒形状や円形状に形成されている。そのため、図１２に示すように、マイクロ波が円筒形状の伝搬領域の壁面１４において互いに集まる方向、あるいは分散する方向に反射する。これは、マイクロ波の波の性質が顕著であるためである。図１３は、このような円筒形状の伝搬領域におけるマイクロ波の電界強度分布であり、マイクロ波の電界強度分布が円筒形状の領域内において中央部に偏り、不均一となる性質を有していることを示している。よって、円筒形状の伝搬領域において不均一となったマイクロ波により不均一なプラズマが発生し、この不均一なプラズマにより励起・活性化されたガス分子により試料の表面に薄膜が形成される。そのため、均一な薄膜形成が困難となっている。また、ウェハの大口径に伴い、プラズマを発生させるマイクロ波の伝搬領域も大きくなるため、マイクロ波の電界強度分布の偏りが顕著となり易く、均一なプラズマを発生させることが困難となる。
【０００４】
そこで、マイクロ波がプラズマにより反射・吸収される性質を利用し、不均一なマイクロ波をプラズマに反射・吸収させて均一にする方法が採られている。例えば、円形状または円筒形状の外側部分のみからマイクロ波の導入を行って不均一なマイクロ波を導入し、そのマイクロ波の不均一性をプラズマにより吸収し、バランスをとることで均一な励起を行う方法が用いられている。
しかし、この方法では、ガスの流量・組成比、圧力、試料温度等のプロセス条件の変化に対してバランスを維持することが難しく、処理内容に応じて、そのプロセス条件を設定する必要がある。また、メンテナンス等による多少の状態変化によってもプロセス条件が変わってしまう等、プロセスマージンが小さいという問題がある。
【０００５】
そこで、本発明は、試料の処理面に対して均一な処理を施すことができるプラズマ処理装置を提供することを目的とする。
また、本発明は、プロセスマージンを拡大することができるプラズマ処理装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本願第１発明は、反応器内の試料にプラズマ処理を行うプラズマ処理装置であって、マイクロ波を発生するマイクロ波発生手段と、前記マイクロ波発生手段に接続され、前記試料の処理面に沿う断面の対向する二辺が平行な矩形状であり、前記マイクロ波発生手段から発生したマイクロ波の電界強度分布を前記試料の処理面に沿って概ね均一にする第１誘電体と、前記マイクロ波により前記反応器内に発生するプラズマを用いて前記試料を処理する処理手段とを有し、前記試料の処理面に沿う方向における、前記第１誘電体の対向する二辺の間隔Ｌ_ｄ１は、実質的に下記式（１）を満たすプラズマ処理装置を提供する。
【０００７】
Ｌ_ｄ１＝ｎ_ｄ１（λ_１／２） …（１）
ここで、λ_１：前記第１誘電体内のマイクロ波の波長
ｎ_ｄ１：１以上の整数である。
上記のプラズマ処理装置では、マイクロ波が伝播する第１誘電体の断面を対向する二辺が平行な矩形状とし、その長さを上記のように設定することで、第１誘電体の端面における多重反射による波のうち消し合いが低減する。よって、マイクロ波の電界強度分布が試料の処理面に沿って全体として概ね均一（以下、単に均一という）となり、均一なプラズマが発生する。このプラズマにより励起・活性化されたガス分子によって均一な薄膜形成やエッチングなどが可能となる。また、ガスの流量・組成比等のプロセス条件の変更やメンテナンス等によるプロセス条件の変化に対しても、マイクロ波の電界強度分布が偏りにくい。よって、プロセスマージンを拡大することができる。
【０００８】
本願第２発明は、前記第１発明において、前記反応器と前記第１誘電体との間に設けられ、少なくとも一つのスロットが形成されており、前記第１誘電体内のマイクロ波の電界強度分布の均一性を保持またはさらに高めるスロット板と、前記スロット板と前記反応器との間に設けられ、前記試料の処理面に沿う断面の対向する二辺が平行な矩形状であり、前記スロット板から供給されるマイクロ波の電界強度分布の均一性を保持またはさらに高める第２誘電体とをさらに有し、前記試料の処理面に沿う方向における、前記第２誘電体の対向する二辺の間隔Ｌ_ｄ２は、実質的に下記式（２）を満たすプラズマ処理装置を提供する。
【０００９】
Ｌ_ｄ２＝ｎ_ｄ２（λ_２／２） …（２）
ここで、λ_２：前記第２誘電体内のマイクロ波の波長
ｎ_ｄ２：１以上の整数である。
上記の長さＬ_ｄ２を有する第２誘電体により前記第１発明と同様の効果が得られる。また、スロット板によってもマイクロ波が均一化されるため、さらにマイクロ波を均一化することができる。
本願第３発明は、前記第１または第２発明において、前記反応器は、前記試料の処理面に沿う断面の対向する二辺が平行な矩形状であり、かつ前記反応器の対向する二辺の長さＬ_Ｐは、実質的に下記式（３）を満たすプラズマ処理装置を提供する。
【００１０】
Ｌ_Ｐ＝ｎ_Ｐ（λ_Ｐ／２） …（３）
ここで、λ_Ｐ：前記反応器内のマイクロ波の波長
ｎ_Ｐ：１以上の整数である。
上記の構成により、反応器内のマイクロ波による多重反射がプラズマに与える影響を低減することができ、効率よくプラズマを発生させることができる。
本願第４発明は、前記第２発明において、前記第１誘電体及び前記第２誘電体の各々の比誘電率は実質的に同一であるプラズマ処理装置を提供する。
【００１１】
比誘電率が実質的に同一であると、前記試料の処理面に沿う方向における第１誘電体及び第２誘電体の長さを揃えることができるため、より現実的な設計が可能となる。
本願第５発明は、前記第２発明において、前記第１誘電体内のマイクロ波の波長λ_１と前記第２誘電体内のマイクロ波の波長λ_２とが、実質的に下記式（４）を満たすプラズマ処理装置を提供する。
λ_１／２＝ｍ（１／２）λ_２ …（４）
ここで、λ_１：前記第１誘電体内のマイクロ波の波長
λ_２：前記第２誘電体内のマイクロ波の波長
ｍ：１以上の整数である。
【００１２】
上記の構成により、それぞれの誘電体内を伝搬するマイクロ波の位相がお互いに実質的に一致しており、干渉して減衰するのを防止することができ、均一なプラズマを発生させることができる。
本願第６発明は、前記第２発明において、前記第１誘電体内のマイクロ波の波長λ_１、前記第２誘電体内のマイクロ波の波長λ_２及び前記反応器内のマイクロ波の波長λ_Ｐが、実質的に下記式（５）及び（６）を満たすプラズマ処理装置を提供する。
【００１３】
λ_１／２＝ｍ（１／２）λ_２ …（５）
λ_１／２＝ｋ（１／２）λ_Ｐ …（６）
ここで、λ_１：前記第１誘電体内のマイクロ波の波長
λ_２：前記第２誘電体内のマイクロ波の波長
λ_Ｐ：前記反応器内のマイクロ波の波長
ｍ、ｋ：１以上の整数である。
第１誘電体、第２誘電体及び反応器内のマイクロ波の位相がお互いに実質的に一致しており、第５発明と同様の効果が得られる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
＜プラズマ処理装置＞
プラズマ処理装置は、マイクロ波発生器、処理室及び処理室上部のマイクロ波伝搬領域を有しており、以下のように処理が行われる。
マイクロ波発生器より発生したマイクロ波がマイクロ波伝搬領域を伝搬し、ガス雰囲気の処理室内に電界が形成される。この電界とガスとによりプラズマが発生し、プラズマにより生成された化学種により成膜、エッチング、気相洗浄等の処理が処理室内の試料に施される。
【００１５】
このようなプラズマを利用したプラズマ処理装置には、プラズマにより酸化・窒化を行う装置（以下、プラズマ酸窒化装置という）、プラズマＣＶＤ（ＣｈｅｍｉｃａｌＶａｐｏｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）装置、プラズマエッチング装置、プラズマアッシング装置、プラズマ洗浄装置、プラズマアニール装置等がある。
以下に、本発明のプラズマ処理装置として、プラズマ酸窒化装置を例に挙げて説明する。
＜第１実施形態例＞
図１は第１実施形態例に係るプラズマ酸窒化装置の外観、図２は図１のＡ−Ａ’を含む試料の処理面に垂直な方向における図１の装置の断面図、図３は図１に示すプラズマ酸窒化装置の要部の分解斜視図、図４は矩形誘電体１５のＹ方向のマイクロ波の波長を示す説明図である。なお図３に示すように、矩形誘電体１５の試料１２の処理面に沿う断面において、二組の対向する平行な二辺と同一なそれぞれの方向をＸ方向及びＹ方向とし、Ｘ、Ｙ方向と垂直な方向をＺ方向とする。
【００１６】
第１実施形態例に係るプラズマ酸窒化装置は、マイクロ波発生器１、矩形導波管２及びチャンバ４を有している。チャンバ４には、成膜ガス等のガスを導入するガス導入口５及びガスを排出するガス排出口６が取り付けられている。また、チャンバ４は、矩形状のチャンバ蓋（以下、矩形チャンバ蓋）４ａと円筒形状の処理室（以下、円形処理室）４ｂとを有している。円形処理室４ｂには、矩形チャンバ蓋４ａと対向する位置に試料１２を処理するための試料台１１が設けられている。円形処理室４ｂの側面には、ガス導入口５から成膜ガス等のガスを円形処理室４ｂに供給するガス導入部１０が設けられている。一方、矩形チャンバ蓋４ａには、試料１２の処理面に沿う断面の対向する二辺が平行な矩形状の誘電体（以下、矩形誘電体）１５が円形処理室４ｂの上部を覆うように設けられている。矩形誘電体１５は、例えば平行四辺形、長方形、正方形状である。チャンバ４上には、矩形導波管２及び矩形導波管２に接続されたマイクロ波発生器１が設けられている。
【００１７】
このとき、矩形誘電体１５のＹ方向の長さＬ_１５Ｙは、実質的に、下記式（７）を満たすように設定する。
Ｌ_１５Ｙ＝ｎ_１５Ｙ（λ_１５／２） …（７）
ここで、λ_１５は矩形誘電体１５内のマイクロ波の波長、ｎ_１５Ｙは１以上の整数である。
また同様に、矩形誘電体１５のＸ方向の長さＬ_１５Ｘを、実質的に、下記式（８）を満たすように設定しても良い。
【００１８】
Ｌ_１５Ｘ＝ｎ_１５Ｘ（λ_１５／２） …（８）
ここで、ｎ_１５Ｘは１以上の整数である。
上記の式（７）及び（８）の矩形誘電体１５内のマイクロ波の波長λ_１５は、矩形誘電体１５のＸ方向及びＹ方向の長さが波長λ_１５より十分に大きい場合、Ｘ方向及びＹ方向など全方向において実質的に同じ波長となり、下記式（９）で表される。
【００１９】
【数１】

ここで、λ＝自由空間波長、ε_ｒ１５＝矩形誘電体１５の比誘電率である。
矩形誘電体１５内の設計は、矩形誘電体１５内でのマイクロ波の伝播方向の成分を考慮し、Ｘ方向及び／またはＹ方向の長さを設定する。さらに、Ｚ方向の長さについても同様に設定すると好ましい。
この誘電体としては、石英、フッ素樹脂、ポリエチレン、ポリスチレン等の誘電損失の少ない物質が好ましい。誘電体は、真空、空気、ガス等比誘電率が“１”である場合を含む。また、誘電体の表面の少なくとも一部が導体で覆われている場合を含む。矩形導波管２のかわりに、スロットアンテナ、同軸アンテナ等その他のアンテナを設けても良い。このプラズマ酸窒化装置では、例えば以下のように成膜の処理が行われる。
【００２０】
まず、ガス排出口６より排気を行って、円形処理室４ｂ内を所定の真空度にし、ガス導入口５及びガス導入部１０を介して円形処理室４ｂ内にガスを導入する。次に、マイクロ波発生器１より発生したマイクロ波を、矩形導波管を介して矩形誘電体１５に導入する。矩形誘電体１５内において、マイクロ波の電界強度分布を試料１２の処理面に沿う方向に概ね均一化する（以下、電界強度分布が概ね均一なマイクロ波を、均一なマイクロ波と称する。また、以下の“均一”とは“試料１２の処理面に沿う方向に概ね均一”をいうものとする）。矩形誘電体１５により均一化されたマイクロ波は、円形処理室４ｂ内に導入される。導入されたマイクロ波により発生したプラズマは、ガス分子を励起・活性化させ化学種を生成し、試料１２の表面に薄膜を形成する。
【００２１】
このプラズマ酸窒化装置は、試料１２の処理面に沿う面方向にマイクロ波を伝搬させる領域、すなわち矩形誘電体１５の試料１２の処理面に沿う断面の対向する二辺が平行な矩形状である。よって、図５に示すように、マイクロ波がその進行方向と垂直な壁面１６において、入射された方向と鏡面方向に反射される。図６は、このような断面が矩形状の断面を有する伝搬領域におけるマイクロ波の電界強度分布である。この図は、マイクロ波の進行方向と垂直な壁面１６で反射されたマイクロ波が、中央部に偏っておらず全体として均一な電界強度分布となることを示している。さらに、矩形誘電体１５のＹ方向及び／またはＸ方向の長さを矩形誘電体１５内の半波長の整数倍に設定することで、マイクロ波の定在波条件が満たされ、矩形誘電体１５内のマイクロ波が安定する。よって、矩形誘電体１５の端面での多重反射による波のうち消し合いが低減し、効率よく均一なプラズマを発生させることができる。
【００２２】
このように矩形誘電体１５の形状を設定することで、マイクロ波の電界強度分布が試料１２の処理面に沿って全体として均一となる。その均一なマイクロ波により均一にプラズマが発生し、このプラズマにより均一な薄膜形成が可能となる。また、ガスの流量・組成比等のプロセス条件の変更やメンテナンス等によるプロセス条件の変化が生じても、マイクロ波が伝播する領域の形状が対向する二辺が平行な矩形状であり、かつそのＹ方向及び／またはＸ方向の長さが定在波条件を満たすため、マイクロ波の電界強度分布が偏りにくい。よって、プロセスマージンを拡大することができる。
＜第１実施例＞
以下の図７〜図１１を参照し、第１実施形態例に係るプラズマ酸窒化装置について、第１実施例を挙げてより具体的に説明する。図７は第１実施例のプラズマ酸窒化装置の外観、図８は図７のＢ−Ｂ’を含む図中Ｘ軸に垂直な図７の装置の断面図、図９は図７に示すプラズマ酸窒化装置の要部の分解斜視図、図１０はＨ面スロットアンテナのスロット形状、図１１は図８のプラズマ酸窒化装置の要部とマイクロ波伝搬領域におけるＹ方向のマイクロ波の波長との関係を示している。なお図７または図９に示すように、矩形アンテナ誘電体３４、矩形封止誘電体３８及び矩形処理室２５ｂの試料１２の処理面に沿う断面において、二組の対向する平行な二辺と同一なそれぞれの方向をＸ方向及びＹ方向とし、Ｘ、Ｙ方向と垂直な方向をＺ方向とする。
［全体構成］
本実施例に係るプラズマ酸窒化装置は、矩形導波管２０、Ｈ面スロットアンテナ３０及び試料１２の処理面に沿う断面が矩形状のチャンバ（以下、矩形チャンバ）２５を有している。また、矩形チャンバ２５には、試料１２の処理面に沿う断面が長方形状または正方形状の処理室（以下、矩形処理室）２５ｂと、矩形処理室２５ｂを覆い、試料１２の処理面に沿う断面が正方形状または長方形状のチャンバ蓋（以下、矩形チャンバ蓋）２５ａとが設けられている。
【００２３】
矩形チャンバ蓋２５ａは、図９に示すように、上から順にそれぞれ矩形アンテナ誘電体３４、スロット３６ａが設けられた、試料１２の処理面に沿う断面が矩形状のスロット板（以下、矩形スロット板）３６及び矩形封止誘電体３８を有している。矩形アンテナ誘電体３４及び矩形封止誘電体３８の試料１２の処理面に沿う断面は、正方形状または長方形状である。矩形アンテナ誘電体３４上には、試料１２の処理面に沿う断面が長方形状または正方形状のＨ面スロットアンテナ３０が載置されており、このＨ面スロットアンテナ３０により矩形導波管２０から矩形アンテナ誘電体３４にマイクロ波が導入される。矩形処理室２５ｂには、試料台１１が設けられており、試料台１１上には、試料１２が載置されている。
【００２４】
Ｈ面スロットアンテナ３０は、図１０に示すように上部３０ａ、側部３０ｂ及び底部３０ｃを有している。底部３０ｃつまりＨ面スロットアンテナ３０のＨ面には、Ｈ面スロットアンテナ３０のＹ方向に沿って、長方形状のスロット３０ｄが形成されている。Ｈ面スロットアンテナ３０上部には矩形導波管２０が接続されている。
本実施例の矩形アンテナ誘電体３４のＸ方向の長さＬ_３４Ｘ及び矩形封止誘電体３８のＸ方向の長さＬ_３８Ｘ及び／またはＹ方向の長さＬ_３８Ｙは、それぞれのマイクロ波伝搬領域を伝搬するマイクロ波の波長λの半分（λ／２）の整数倍に設定されている。つまり、それぞれのＸ方向及び／またはＹ方向の長さを、実質的に次式（１０）、（１１）及び／または（１２）を満たすように設定する。
Ｌ_３４Ｘ＝ｎ_３４Ｘ×（λ_３４／２） …（１０）
Ｌ_３８Ｘ＝ｎ_３８Ｘ×（λ_３８／２） …（１１）
Ｌ_３８Ｙ＝ｎ_３８Ｙ×（λ_３８／２） …（１２）
ここで、λ_３４は矩形アンテナ誘電体３４内のマイクロ波の波長、λ_３８は矩形封止誘電体３８内のマイクロ波の波長、ｎ_３４Ｘ、ｎ_３８Ｘ及びｎ_３８Ｙは１以上の整数である。また、波長λ_３４及び波長λ_３８は、矩形アンテナ誘電体３４及び矩形封止誘電体３８のＸ方向及びＹ方向の長さがそれぞれの誘電体内を伝搬する波長に対して十分に大きい場合、前記式（９）と同様に下記式（１３）、（１４）で表される。
【００２５】
【数２】

ここで、λ＝自由空間波長、ε_ｒ３４＝矩形アンテナ誘電体３４の比誘電率、ε_ｒ３８＝矩形封止誘電体３８の比誘電率である。その他の構成は、前記第１実施形態例と同様である。
また、同様にして矩形アンテナ誘電体３４のＹ方向の長さ、及び矩形アンテナ誘電体３４と矩形封止誘電体３８のＺ方向の長さを同様に設定することができる。
【００２６】
以下に、本実施例に係るプラズマ酸窒化装置の各部について詳細に説明する。
［矩形アンテナ誘電体］
長方形状または正方形状に形成されている矩形アンテナ誘電体３４は、マイクロ波の電界強度分布を均一化する。また、矩形アンテナ誘電体３４は、矩形処理室２５ｂとの間に設けられた矩形スロット板３６によって、矩形アンテナ誘電体３４内のマイクロ波と矩形処理室２５ｂ内のプラズマにより反射されたマイクロ波との結合を抑制されている。そのため、矩形アンテナ誘電体３４内を伝搬するマイクロ波はプラズマの影響を受けにくく、マイクロ波の電界強度分布が均一化し易い。さらに、矩形アンテナ誘電体３４のＸ方向及び／またはＹ方向の長さが、マイクロ波の定在波条件を満たすように設定されているため、矩形アンテナ誘電体３４内のマイクロ波が安定する。よって、マイクロ波の電界強度分布が均一となる。
［矩形封止誘電体］
矩形封止誘電体３８は、長方形状または正方形状に形成されており、矩形スロット板３６より導入されたマイクロ波の電界強度分布の均一性を保持したままあるいはさらに高め、矩形封止誘電体３８下方の矩形処理室２５ｂにプラズマを発生させるための電界を形成する。また、矩形封止誘電体３８は、真空状態の矩形処理室２５ｂを大気から隔離し、清浄空間に保つ。また、矩形封止誘電体３８のＸ方向及び／またはＹ方向の長さが、マイクロ波の定在波条件を満たすように設定されているため、矩形封止誘電体３８内のマイクロ波が安定する。よって、マイクロ波の電界強度分布が均一となる。
［矩形処理室］
矩形処理室２５ｂでは、矩形封止誘電体３８内のマイクロ波により電界が形成される。矩形封止誘電体３８から均一なマイクロ波が導入されているため、矩形処理室２５ｂ内では均一なプラズマが発生する。このプラズマにより励起・活性化されたガス分子によって、均一な薄膜が試料１２上に形成される。矩形処理室２５ｂは、その中で発生したプラズマによりマイクロ波が反射・吸収されるため通常マイクロ波が伝搬する領域ではない。よって、矩形処理室２５ｂの試料１２処理面に沿う方向の断面は必ずしも長方形状または正方形状である必要はない。ただし、マイクロ波が完全に吸収されずに矩形処理室２５ｂ内を伝搬する場合もあるので、不均一なマイクロ波によりプラズマの均一性が乱されないように矩形処理室２５ｂの試料１２処理面に沿う断面を長方形状または正方形状とするのが好ましい。このようにすることで、プラズマの均一性をさらに高め、より均一な薄膜を形成することができ、また均一なプラズマを得るためのプロセスマージンを広げることができる。
【００２７】
また、矩形アンテナ誘電体３４及び矩形封止誘電体３８と同様に、矩形処理室２５ｂのＸ方向及び／またはＹ方向の長さを、実質的に、矩形処理室２５ｂ内のマイクロ波の波長の半波長の整数倍を満たすように設定すると好ましい。矩形処理室２５ｂには、前述の通りマイクロ波も存在しうるので、矩形処理室２５ｂ内を伝搬するマイクロ波による多重反射がプラズマに与える影響を低減するために、矩形処理室２５ｂのＹ方向の長さを上記のように設定するのが好ましい。このようにすることで、プラズマの均一性をさらに高め、より均一な薄膜を形成することができ、また均一なプラズマを得るためのプロセスマージンを広げることができる。
［矩形スロット板］
矩形スロット板３６は、矩形アンテナ誘電体３４から導入されるマイクロ波の電界強度分布の均一性を、スロット３６ａにより保持したままあるいはさらに高める。また、矩形処理室２５ｂで発生されるプラズマの影響が、矩形アンテナ誘電体３４に及ぶのを抑制している。矩形スロット板３６は、必ずしも試料１２の処理面に沿う断面が長方形状または正方形状である必要はなく、矩形アンテナ誘電体３４、矩形封止誘電体３８及び矩形処理室２５ｂを覆う形状であれば良く、例えば円形状であっても良い。
【００２８】
スロット３６ａは、矩形封止誘電体３８内でのマイクロ波分布に応じて、その傾斜角度を変更することもできる。つまり、試料１２の処理方法や装置の処理条件などに応じて矩形封止誘電体３８内でのマイクロ波のＸ方向の伝搬成分とＹ方向の伝搬成分との比を考慮し、スロット３６ａの傾斜角度を変更する。
［Ｈ面スロットアンテナ］
Ｈ面スロットアンテナ３０は、図１０に示すように底部３０ｃにＨ面スロットアンテナ３０のＹ方向に沿って、一定間隔毎に長方形状のスロット３０ｄを有している。よって、矩形アンテナ誘電体３４、矩形スロット板３６、矩形封止誘電体３８によりマイクロ波を均一化するとともに、マイクロ波の電界強度分布の均一性を高めるのに有効である。ここでは、アンテナとしてＨ面スロットアンテナを用いているが、Ｅ面スロットアンテナ、円形導波管、同軸導波管、スロット以外の結合素子等を使用することもできる。なかでも、断面が長方形状または正方形状のスロットアンテナを使用した場合には、一点に大電力が集中することがなく、発熱・異常放電等の特性変動が生じにくい。また、スロットアンテナが長方形状または正方形状であるため、矩形アンテナ誘電体３４に固定し易く特性変動が生じにくいため、均一なプラズマを発生させることができる。
【００２９】
Ｈ面スロットアンテナ３０は、少なくとも１カ所に設置すればよいが、大口径な試料を処理する大型な装置に対応させて、複数個設けたり、分岐させて誘電体にマイクロ波を導入するようにしても良い。このとき、偶数個設けるようにすると設計が容易で好ましい。さらに２^ｎ（ｎは自然数）個設けるようにするとより好ましい。
［矩形チャンバ］
矩形チャンバ２５は、矩形アンテナ誘電体３４、矩形封止誘電体３８等にあわせて試料１２の処理面に沿う断面を矩形状に形成すると電気的・構造的な不整合が少なくなるので好ましい。ただし、プラズマが発生した際には、矩形チャンバ２５内ではマイクロ波がプラズマに反射・吸収され、マイクロ波の伝搬領域ではなくなるため矩形状でなくても良い。
［効果］
本実施例に係るプラズマ酸窒化装置は、試料１２の処理面に沿う面方向にマイクロ波を伝搬させる領域、すなわち矩形アンテナ誘電体３４及び矩形封止誘電体３８が長方形状または正方形状を有しており、かつ各誘電体のＸ方向及び／またはＹ方向の長さがマイクロ波の定在波条件を満たすように設定されているので、各誘電体内のマイクロ波が安定する。よって、均一かつ高い効率でプラズマを発生させることができ、また、ガスの流量・組成比等プロセスマージンを拡大することができる。
【００３０】
また、矩形アンテナ誘電体３４により電界強度分布が均一化されたマイクロ波が、矩形スロット板３６を介して均一に矩形封止誘電体３８に導入され、矩形封止誘電体３８によりさらに均一性が高められる。
同様の理由により、矩形スロット板３６、Ｈ面スロットアンテナ３０、矩形導波管２０もマイクロ波の定在波条件を満たすように長さを設定されていると好ましい。
＜第２実施例＞
以下に、第１実施形態例に係るプラズマ酸窒化装置について、第１実施例で用いた図を再び用い、第２実施例を説明する。ただし、第２実施例に係るプラズマ酸窒化装置は、以下に記載の誘電率以外については、第１実施例と同様の構成を有している。第１実施例の構成に加えて、さらに矩形アンテナ誘電体３４及び矩形封止誘電体３８を同一物質で形成するか、あるいは同程度の比誘電率を有する物質で形成する。各誘電体内のマイクロ波の波長は、大口径チャンバにおいては、前記式（１３）、（１４）で表され、比誘電率ε_ｒにより変化する。よって、比誘電率ε_ｒが同程度であると波長λ_３４、λ_３８が同程度となり、矩形アンテナ誘電体３４及び矩形封止誘電体３８のＹ方向の長さを揃えることができ、より現実的な設計が可能となる。
＜第３実施例＞
以下に、第１実施形態例に係るプラズマ酸窒化装置について、第１実施例で用いた図を再び用い、第３実施例を説明する。ただし、第３実施例に係るプラズマ酸窒化装置は、以下に記載の矩形処理室２５ｂ以外については、第１実施例と同様の構成を有している。
【００３１】
第１実施例または第２実施例の構成に加えて、さらに矩形アンテナ誘電体３４内部でのマイクロ波の波長λ_３４及び矩形封止誘電体３８の内部でのマイクロ波の波長λ_３８の位相が図１１に示すように互いに概ね一致している。つまり、実質的に、λ_３４／２＝ｍ（１／２）λ_３８を満たすように誘電体の材質または長さを設定する。ここで、λ_３４は矩形アンテナ誘電体３４内のマイクロ波の波長、λ_３８は矩形封止誘電体３８内のマイクロ波の波長、ｍは１以上の整数である。このようにすることで、それぞれの誘電体内を伝搬するマイクロ波がお互いに干渉して減衰するのを防止することができ、均一なプラズマを発生させることができる。同じ理由から、矩形アンテナ誘電体３４、矩形封止誘電体３８及び矩形処理室２５ｂの内部を伝搬する全てのマイクロ波の波長の位相が互いに概ね一致している、つまり、実質的に、λ_３４／２＝ｍ（１／２）、λ_３８＝ｋ（λ_２５／２）を満たすように設定すると好ましい。ここで、λ_２５は矩形処理室２５ｂ内のマイクロ波の波長、ｋは１以上の整数である。
＜その他の実施形態例＞
（Ａ）本発明は、シリコンプロセス以外の化合物、ＦＰＤ（ＦｌａｔＰａｎｅｌＤｉｓｐｌａｙ）プロセス等に適用可能である。また、プラズマを用いないマイクロ波照射装置、マイクロ波加熱装置等にも適用可能である。
（Ｂ）前記実施例は、必要に応じて組み合わせて用いることができる。
【００３２】
【発明の効果】
本発明を用いれば、試料の処理面に対して均一な処理を施すことができるプラズマ処理装置を提供することができる。
また、本発明を用いれば、プロセスマージンを拡大することができるプラズマ処理装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施形態例に係るプラズマ酸窒化装置の外観図。
【図２】Ａ−Ａ’を含む試料の処理面に垂直な方向における図１の装置の断面図。
【図３】図１に示すプラズマ酸窒化装置の要部の分解斜視図。
【図４】矩形誘電体１５におけるマイクロ波の波長を示す説明図。
【図５】垂直な壁面におけるマイクロ波の進行方向を示す図。
【図６】長方形状または正方形状の伝搬領域におけるマイクロ波の電界強度分布図。
【図７】第１実施例のプラズマ酸窒化装置の外観図。
【図８】図７のＢ−Ｂ’を含む図中Ｘ軸に垂直な図７の装置の断面図。
【図９】図７に示すプラズマ酸窒化装置の要部の分解斜視図。
【図１０】Ｈ面スロットアンテナのスロット形状。
【図１１】図８のプラズマ酸窒化装置の要部とマイクロ波伝搬領域におけるマイクロ波の波長との関係を示す説明図。
【図１２】円筒形状の壁面におけるマイクロ波の進行方向を示す図。
【図１３】円筒形状の伝搬領域におけるマイクロ波の電界強度分布図。
【符号の説明】
１マイクロ波発生器
２、２０矩形導波管
３同軸アンテナ
４チャンバ
４ａ矩形チャンバ蓋
４ｂ円形処理室
１２試料
１５矩形誘電体
２５矩形チャンバ
２５ａ矩形チャンバ蓋
２５ｂ矩形処理室
３０Ｈ面スロットアンテナ
３４矩形アンテナ誘電体
３６矩形スロット板
３８矩形封止誘電体[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a plasma processing apparatus that uses plasma generated by microwaves.
[0002]
[Prior art]
In recent years, ICs (integrated circuits) have been miniaturized and wafers have been increased in diameter, and accordingly, it has been required to uniformly form a large-diameter thin film. In particular, the gate oxide film must be formed thinly and uniformly in order to influence the characteristics of the IC. Therefore, a thin film such as a gate oxide film is formed by a plasma processing apparatus using microwaves (for example, 2.45 GHz). In this plasma processing apparatus using microwaves, high-density, low-electron-temperature plasma can be obtained by microwaves having a high frequency. Therefore, it is possible to suppress the influence of electrical or physical damage to a thin film such as a gate oxide film. As described above, the use of microwaves can efficiently form a thin film with little damage.However, since the wavelength of the microwave is substantially equal to the wafer diameter, when a large-diameter thin film is uniformly formed by the microwave, It is easily affected by the nature of the waves described below.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
In a plasma processing apparatus, a dielectric or the like, which is a region through which a microwave for generating plasma propagates, is formed in a cylindrical shape or a circular shape according to the shape of a sample (for example, a silicon wafer). Therefore, as shown in FIG. 12, the microwaves are reflected on the wall surface 14 of the cylindrical propagation region in a direction in which the microwaves gather or disperse. This is because the properties of microwaves are remarkable. FIG. 13 shows the electric field intensity distribution of microwaves in such a cylindrical propagation region. The electric field intensity distribution of microwaves is biased toward the center in the cylindrical region and has a property of being non-uniform. It is shown that. Therefore, non-uniform plasma is generated by the non-uniform microwave in the cylindrical propagation region, and a thin film is formed on the surface of the sample by the gas molecules excited and activated by the non-uniform plasma. Therefore, it is difficult to form a uniform thin film. Further, as the diameter of the wafer increases, the propagation region of the microwave for generating the plasma also increases. Therefore, the bias of the electric field intensity distribution of the microwave tends to be remarkable, and it becomes difficult to generate uniform plasma.
[0004]
Therefore, a method has been adopted in which non-uniform microwaves are reflected and absorbed by plasma to make them uniform by utilizing the property of microwaves being reflected and absorbed by plasma. For example, microwaves are introduced only from the outer part of the circular or cylindrical shape to introduce non-uniform microwaves, and the non-uniformity of the microwaves is absorbed by the plasma and balanced to achieve uniform excitation. The method used is used.
However, with this method, it is difficult to maintain a balance with respect to changes in process conditions such as gas flow rate / composition ratio, pressure, and sample temperature, and it is necessary to set the process conditions according to the processing content. Further, there is a problem that the process margin is small, for example, the process condition is changed even by a slight change in state due to maintenance or the like.
[0005]
Therefore, an object of the present invention is to provide a plasma processing apparatus capable of performing uniform processing on a processing surface of a sample.
Another object of the present invention is to provide a plasma processing apparatus capable of expanding a process margin.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above-mentioned problems, a first invention of the present application is a plasma processing apparatus for performing plasma processing on a sample in a reactor, the microwave processing means being configured to generate microwaves, and being connected to the microwave generating means. The two opposite sides of the cross section along the processing surface of the sample are rectangular parallel to each other, and the electric field intensity distribution of the microwave generated from the microwave generating means is substantially uniform along the processing surface of the sample. A dielectric, and processing means for processing the sample using plasma generated in the reactor by the microwave, wherein the first dielectric is opposed to the sample in a direction along a processing surface of the sample. Spacing L between two sides _d1 Provides a plasma processing apparatus that substantially satisfies the following equation (1).
[0007]
L _d1 = N _d1 (Λ ₁ / 2)… (1)
Where λ ₁ : Wavelength of microwave in the first dielectric
n _d1 : Is an integer of 1 or more.
In the above-described plasma processing apparatus, the cross section of the first dielectric through which the microwave propagates is formed in a rectangular shape in which two opposing sides are parallel and the length is set as described above, so that the end face of the first dielectric is The cancellation of waves due to multiple reflections is reduced. Therefore, the distribution of the microwave electric field intensity becomes substantially uniform as a whole along the processing surface of the sample (hereinafter, simply referred to as uniform), and uniform plasma is generated. A uniform thin film can be formed or etched by gas molecules excited and activated by the plasma. Further, the distribution of the microwave electric field intensity is not easily biased even when the process conditions such as the flow rate and the composition ratio of the gas are changed or the process conditions are changed due to maintenance or the like. Therefore, the process margin can be expanded.
[0008]
According to a second aspect of the present invention, in the first aspect, at least one slot is formed between the reactor and the first dielectric, and an electric field intensity distribution of microwaves in the first dielectric is provided. A slot plate for maintaining or further improving the uniformity of the slot plate, provided between the slot plate and the reactor, and two opposite sides of a cross section along a processing surface of the sample having a parallel rectangular shape; And a second dielectric that maintains or further enhances the uniformity of the electric field intensity distribution of the microwave supplied from the apparatus, and a distance between two opposing sides of the second dielectric in a direction along a processing surface of the sample. L _d2 Provides a plasma processing apparatus that substantially satisfies the following equation (2).
[0009]
L _d2 = N _d2 (Λ ₂ / 2)… (2)
Where λ ₂ : Wavelength of microwave in the second dielectric
n _d2 : Is an integer of 1 or more.
The above length L _d2 The same effect as the first invention can be obtained by the second dielectric having the above. Further, since the microwaves are also made uniform by the slot plate, the microwaves can be made more uniform.
In a third aspect of the present invention, in the first or second aspect, the reactor has a rectangular shape in which two opposing sides of a cross section along a processing surface of the sample are parallel, and the opposing two sides of the reactor. Length L _P Provides a plasma processing apparatus that substantially satisfies the following equation (3).
[0010]
L _P = N _P (Λ _P / 2)… (3)
Where λ _P : Wavelength of microwave in the reactor
n _P : Is an integer of 1 or more.
With the above configuration, the effect of multiple reflections by microwaves in the reactor on plasma can be reduced, and plasma can be generated efficiently.
A fourth invention of the present application provides the plasma processing apparatus according to the second invention, wherein a relative dielectric constant of each of the first dielectric and the second dielectric is substantially the same.
[0011]
When the relative dielectric constants are substantially the same, the lengths of the first dielectric and the second dielectric in the direction along the processing surface of the sample can be made uniform, so that a more realistic design is possible.
According to a fifth aspect of the present invention, in the second aspect, the wavelength λ of the microwave in the first dielectric is provided. ₁ And the wavelength λ of the microwave in the second dielectric ₂ Provides a plasma processing apparatus that substantially satisfies the following equation (4).
λ ₁ / 2 = m (1/2) λ ₂ … (4)
Where λ ₁ : Wavelength of microwave in the first dielectric
λ ₂ : Wavelength of microwave in the second dielectric
m is an integer of 1 or more.
[0012]
According to the above configuration, the phases of the microwaves propagating in the respective dielectrics substantially match each other, it is possible to prevent interference and attenuation, and it is possible to generate uniform plasma.
According to a sixth aspect of the present invention, in the second aspect, the wavelength λ of the microwave in the first dielectric body is set. ₁ The wavelength λ of the microwave in the second dielectric ₂ And the wavelength λ of the microwave in the reactor _P Provides a plasma processing apparatus that substantially satisfies the following equations (5) and (6).
[0013]
λ ₁ / 2 = m (1/2) λ ₂ … (5)
λ ₁ / 2 = k (1/2) λ _P … (6)
Where λ ₁ : Wavelength of microwave in the first dielectric
λ ₂ : Wavelength of microwave in the second dielectric
λ _P : Wavelength of microwave in the reactor
m and k are integers of 1 or more.
The phases of the microwaves in the first dielectric, the second dielectric, and the reactor substantially coincide with each other, and the same effect as that of the fifth invention can be obtained.
[0014]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
<Plasma processing equipment>
The plasma processing apparatus has a microwave generator, a processing chamber, and a microwave propagation region above the processing chamber, and performs processing as described below.
Microwaves generated by the microwave generator propagate in the microwave propagation region, and an electric field is formed in the processing chamber in a gas atmosphere. Plasma is generated by the electric field and the gas, and processing such as film formation, etching, and gas-phase cleaning is performed on a sample in the processing chamber by the chemical species generated by the plasma.
[0015]
Examples of such a plasma processing apparatus using plasma include an apparatus that performs oxidation and nitridation using plasma (hereinafter, referred to as a plasma oxynitriding apparatus), a plasma CVD (Chemical Vapor Deposition) apparatus, a plasma etching apparatus, a plasma ashing apparatus, and a plasma cleaning apparatus. Equipment, plasma annealing equipment and the like.
Hereinafter, a plasma oxynitriding apparatus will be described as an example of the plasma processing apparatus of the present invention.
<First Embodiment>
1 is an external view of a plasma oxynitriding apparatus according to a first embodiment, FIG. 2 is a cross-sectional view of the apparatus of FIG. 1 in a direction perpendicular to a processing surface of a sample including AA ′ in FIG. 1, and FIG. FIG. 4 is an exploded perspective view of a main part of the plasma oxynitriding apparatus shown in FIG. 1, and FIG. As shown in FIG. 3, in the cross section of the rectangular dielectric 15 along the processing surface of the sample 12, the same directions as two sets of two opposite parallel sides are defined as the X direction and the Y direction, and the X and Y directions. The direction perpendicular to the direction is defined as the Z direction.
[0016]
The plasma oxynitriding apparatus according to the first embodiment has a microwave generator 1, a rectangular waveguide 2, and a chamber 4. The chamber 4 is provided with a gas inlet 5 for introducing a gas such as a film forming gas and a gas outlet 6 for discharging the gas. The chamber 4 has a rectangular chamber lid (hereinafter, rectangular chamber lid) 4a and a cylindrical processing chamber (hereinafter, circular processing chamber) 4b. In the circular processing chamber 4b, a sample stage 11 for processing the sample 12 is provided at a position facing the rectangular chamber lid 4a. On the side surface of the circular processing chamber 4b, a gas introduction unit 10 for supplying a gas such as a film forming gas from the gas inlet 5 to the circular processing chamber 4b is provided. On the other hand, on the rectangular chamber lid 4a, a rectangular dielectric (hereinafter, rectangular dielectric) 15 whose two opposite sides of the cross section along the processing surface of the sample 12 are parallel is provided so as to cover the upper part of the circular processing chamber 4b. Has been. The rectangular dielectric 15 is, for example, a parallelogram, a rectangle, or a square. A rectangular waveguide 2 and a microwave generator 1 connected to the rectangular waveguide 2 are provided on the chamber 4.
[0017]
At this time, the length L of the rectangular dielectric 15 in the Y direction _15Y Is set to substantially satisfy the following equation (7).
L _15Y = N _15Y (Λ _Fifteen / 2)… (7)
Where λ _Fifteen Is the wavelength of the microwave in the rectangular dielectric 15, n _15Y Is an integer of 1 or more.
Similarly, the length L in the X direction of the rectangular dielectric 15 _15X May be set to substantially satisfy the following expression (8).
[0018]
L _15X = N _15X (Λ _Fifteen / 2)… (8)
Where n _15X Is an integer of 1 or more.
The wavelength λ of the microwave in the rectangular dielectric 15 in the above equations (7) and (8) _Fifteen Means that the length of the rectangular dielectric 15 in the X and Y directions is the wavelength λ. _Fifteen When it is sufficiently larger, the wavelength becomes substantially the same in all directions such as the X direction and the Y direction, and is represented by the following equation (9).
[0019]
(Equation 1)

Where λ = free space wavelength, ε _r15 = Relative permittivity of the rectangular dielectric 15
The design in the rectangular dielectric 15 sets the length in the X direction and / or the Y direction in consideration of the component of the propagation direction of the microwave in the rectangular dielectric 15. Further, it is preferable to set the length in the Z direction in the same manner.
As the dielectric, a substance having a small dielectric loss such as quartz, fluororesin, polyethylene, and polystyrene is preferable. The dielectric includes a case where the relative dielectric constants of vacuum, air, and gas are “1”. Also, a case where at least a part of the surface of the dielectric is covered with a conductor is included. Instead of the rectangular waveguide 2, other antennas such as a slot antenna and a coaxial antenna may be provided. In this plasma oxynitriding apparatus, for example, a film forming process is performed as follows.
[0020]
First, the inside of the circular processing chamber 4b is evacuated from the gas discharge port 6 to a predetermined degree of vacuum, and gas is introduced into the circular processing chamber 4b through the gas inlet 5 and the gas inlet 10. Next, the microwave generated by the microwave generator 1 is introduced into the rectangular dielectric 15 via the rectangular waveguide. Within the rectangular dielectric material 15, the microwave electric field intensity distribution is made substantially uniform in the direction along the processing surface of the sample 12 (hereinafter, a microwave having a substantially uniform electric field intensity distribution is referred to as a uniform microwave. Hereinafter, “uniform” means “substantially uniform in the direction along the processing surface of the sample 12”). The microwave uniformized by the rectangular dielectric 15 is introduced into the circular processing chamber 4b. The plasma generated by the introduced microwaves excites and activates gas molecules to generate chemical species, and forms a thin film on the surface of the sample 12.
[0021]
This plasma oxynitriding apparatus has a rectangular area in which two opposing sides of a cross section of the rectangular dielectric 15 along the processing surface of the sample 12 are parallel to each other, in which a microwave is propagated in a plane direction along the processing surface of the sample 12. . Therefore, as shown in FIG. 5, the microwave is reflected on the wall surface 16 perpendicular to the traveling direction in the incident direction and the mirror direction. FIG. 6 shows an electric field intensity distribution of a microwave in a propagation region having such a rectangular cross section. This figure shows that the microwave reflected on the wall surface 16 perpendicular to the direction of travel of the microwave has a uniform electric field intensity distribution as a whole without being biased toward the center. Further, by setting the length of the rectangular dielectric 15 in the Y direction and / or the X direction to an integral multiple of a half wavelength in the rectangular dielectric 15, the standing wave condition of the microwave is satisfied, and the rectangular dielectric 15 The microwave inside is stabilized. Therefore, canceling out of waves due to multiple reflections at the end face of the rectangular dielectric 15 is reduced, and uniform plasma can be generated efficiently.
[0022]
By setting the shape of the rectangular dielectric 15 in this manner, the distribution of the microwave electric field intensity becomes uniform as a whole along the processing surface of the sample 12. Plasma is generated uniformly by the uniform microwave, and a uniform thin film can be formed by the plasma. In addition, even if process conditions such as gas flow rate and composition ratio change or process conditions change due to maintenance, the shape of the microwave propagation region is a rectangular shape with two opposite sides parallel to each other, and Since the length in the Y direction and / or the X direction satisfies the standing wave condition, the electric field intensity distribution of the microwave is not easily biased. Therefore, the process margin can be expanded.
<First embodiment>
The plasma oxynitriding apparatus according to the first embodiment will be described more specifically with reference to FIGS. 7 is an external view of the plasma oxynitriding apparatus according to the first embodiment, FIG. 8 is a cross-sectional view of the apparatus of FIG. 7 perpendicular to the X-axis in FIG. 7 including BB ', and FIG. FIG. 10 is an exploded perspective view of a main part of the oxynitriding apparatus, FIG. 10 is a diagram showing the slot shape of the H-plane slot antenna, and FIG. 11 is a diagram showing the relationship between the main part of the plasma oxynitriding apparatus of FIG. Shows the relationship. As shown in FIG. 7 or FIG. 9, in the cross section along the processing surface of the sample 12 in the rectangular antenna dielectric 34, the rectangular sealing dielectric 38, and the rectangular processing chamber 25 b, the same two parallel opposite sides are set. These directions are defined as an X direction and a Y direction, and a direction perpendicular to the X and Y directions is defined as a Z direction.
[overall structure]
The plasma oxynitriding apparatus according to the present embodiment includes a rectangular waveguide 20, an H-plane slot antenna 30, and a chamber 25 (hereinafter, rectangular chamber) having a rectangular cross section along the processing surface of the sample 12. The rectangular chamber 25 has a rectangular or square processing chamber (hereinafter, rectangular processing chamber) 25b whose cross section along the processing surface of the sample 12 and a cross section along the processing surface of the sample 12 that covers the rectangular processing chamber 25b. Is provided with a square or rectangular chamber lid (hereinafter, rectangular chamber lid) 25a.
[0023]
As shown in FIG. 9, the rectangular chamber cover 25a is provided with a rectangular antenna dielectric 34 and a slot 36a in order from the top, and has a rectangular cross section along the processing surface of the sample 12 (hereinafter, rectangular slot plate). ) 36 and a rectangular sealing dielectric 38. The cross sections of the rectangular antenna dielectric 34 and the rectangular sealing dielectric 38 along the processing surface of the sample 12 are square or rectangular. On the rectangular antenna dielectric 34, an H-plane slot antenna 30 having a rectangular or square cross section along the processing surface of the sample 12 is mounted. A microwave is introduced into the antenna dielectric. A sample stage 11 is provided in the rectangular processing chamber 25b, and a sample 12 is placed on the sample stage 11.
[0024]
The H-plane slot antenna 30 has an upper part 30a, a side part 30b, and a bottom part 30c as shown in FIG. A rectangular slot 30d is formed on the bottom 30c, that is, on the H-plane of the H-plane slot antenna 30, along the Y-direction of the H-plane slot antenna 30. The rectangular waveguide 20 is connected to the upper part of the H-plane slot antenna 30.
The length L in the X direction of the rectangular antenna dielectric 34 of the present embodiment. _34X And the length L in the X direction of the rectangular sealing dielectric 38 _38X And / or the length L in the Y direction _38Y Is set to an integral multiple of half (λ / 2) of the wavelength λ of the microwave propagating in each microwave propagation region. That is, the length in each of the X and / or Y directions is set so as to substantially satisfy the following equations (10), (11) and / or (12).
L _34X = N _34X × (λ ₃₄ / 2)… (10)
L _38X = N _38X × (λ ₃₈ / 2)… (11)
L _38Y = N _38Y × (λ ₃₈ / 2)… (12)
Where λ ₃₄ Is the wavelength of the microwave in the rectangular antenna dielectric 34, λ ₃₈ Is the wavelength of the microwave in the rectangular sealing dielectric 38, n _34X , N _38X And n _38Y Is an integer of 1 or more. Also, the wavelength λ ₃₄ And wavelength λ ₃₈ If the lengths of the rectangular antenna dielectric 34 and the rectangular sealing dielectric 38 in the X and Y directions are sufficiently large with respect to the wavelengths propagating in the respective dielectrics, the following equation is used in the same manner as the above equation (9). (13) and (14).
[0025]
(Equation 2)

Where λ = free space wavelength, ε _r34 = Relative dielectric constant of the rectangular antenna dielectric 34, ε _r38 = The relative dielectric constant of the rectangular sealing dielectric 38. Other configurations are the same as those of the first embodiment.
Similarly, the length of the rectangular antenna dielectric 34 in the Y direction and the length of the rectangular antenna dielectric 34 and the rectangular sealing dielectric 38 in the Z direction can be similarly set.
[0026]
Hereinafter, each part of the plasma oxynitriding apparatus according to the present embodiment will be described in detail.
[Rectangular antenna dielectric]
The rectangular antenna dielectric 34 formed in a rectangular shape or a square shape makes the microwave electric field intensity distribution uniform. The rectangular antenna dielectric 34 is separated from the microwaves in the rectangular antenna dielectric 34 and the microwaves reflected by the plasma in the rectangular processing chamber 25b by the rectangular slot plate 36 provided between the rectangular processing chamber 25b. The binding of has been suppressed. Therefore, the microwave propagating in the rectangular antenna dielectric 34 is hardly affected by the plasma, and the electric field intensity distribution of the microwave is easily uniformized. Further, since the length of the rectangular antenna dielectric 34 in the X direction and / or the Y direction is set so as to satisfy the standing wave condition of the microwave, the microwave in the rectangular antenna dielectric 34 is stabilized. Therefore, the electric field intensity distribution of the microwave becomes uniform.
[Rectangular sealing dielectric]
The rectangular sealing dielectric 38 is formed in a rectangular or square shape, and maintains or further enhances the uniformity of the electric field intensity distribution of the microwave introduced from the rectangular slot plate 36, and increases the rectangular sealing dielectric 38. An electric field for generating plasma is formed in the lower rectangular processing chamber 25b. In addition, the rectangular sealing dielectric 38 isolates the vacuum processing chamber 25b from the atmosphere and keeps it in a clean space. Further, since the length of the rectangular sealing dielectric 38 in the X direction and / or the Y direction is set so as to satisfy the standing wave condition of the microwave, the microwave in the rectangular sealing dielectric 38 is stable. I do. Therefore, the electric field intensity distribution of the microwave becomes uniform.
[Rectangular processing room]
In the rectangular processing chamber 25b, an electric field is formed by microwaves in the rectangular sealing dielectric 38. Since a uniform microwave is introduced from the rectangular sealing dielectric 38, a uniform plasma is generated in the rectangular processing chamber 25b. A uniform thin film is formed on the sample 12 by the gas molecules excited and activated by the plasma. The rectangular processing chamber 25b is not a region where microwaves normally propagate because microwaves are reflected and absorbed by plasma generated therein. Therefore, the cross section of the rectangular processing chamber 25b in the direction along the sample 12 processing surface does not necessarily have to be rectangular or square. However, since the microwaves may propagate in the rectangular processing chamber 25b without being completely absorbed, the microwaves may travel along the sample 12 processing surface of the rectangular processing chamber 25b so that the uniformity of the plasma is not disturbed by the non-uniform microwaves. Preferably, the cross section is rectangular or square. By doing so, the uniformity of plasma can be further improved, a more uniform thin film can be formed, and the process margin for obtaining uniform plasma can be expanded.
[0027]
Further, similarly to the rectangular antenna dielectric 34 and the rectangular sealing dielectric 38, the length of the rectangular processing chamber 25b in the X direction and / or the Y direction is substantially equal to the wavelength of the microwave in the rectangular processing chamber 25b. It is preferable to set so as to satisfy an integral multiple of a half wavelength. As described above, a microwave can also exist in the rectangular processing chamber 25b. Therefore, in order to reduce the influence of multiple reflections by the microwave propagating in the rectangular processing chamber 25b on the plasma, the rectangular processing chamber 25b is moved in the Y direction. Preferably, the length is set as described above. By doing so, the uniformity of plasma can be further enhanced, a more uniform thin film can be formed, and the process margin for obtaining uniform plasma can be expanded.
[Rectangular slot plate]
The rectangular slot plate 36 maintains or further enhances the uniformity of the electric field intensity distribution of the microwave introduced from the rectangular antenna dielectric 34 while keeping the slot 36a. Further, the influence of the plasma generated in the rectangular processing chamber 25b is suppressed from affecting the rectangular antenna dielectric. The rectangular slot plate 36 does not necessarily need to have a rectangular or square cross section along the processing surface of the sample 12, and may have a shape that covers the rectangular antenna dielectric 34, the rectangular sealing dielectric 38, and the rectangular processing chamber 25b. For example, the shape may be circular.
[0028]
The inclination angle of the slot 36a can be changed according to the microwave distribution in the rectangular sealing dielectric 38. In other words, considering the ratio of the propagation component of the microwave in the X direction and the propagation component in the Y direction in the rectangular sealing dielectric 38 in accordance with the processing method of the sample 12 and the processing conditions of the apparatus, the inclination of the slot 36a is considered. Change the angle.
[H-plane slot antenna]
The H-plane slot antenna 30 has rectangular slots 30d at regular intervals along the Y direction of the H-plane slot antenna 30 on the bottom 30c as shown in FIG. Therefore, the rectangular antenna dielectric 34, the rectangular slot plate 36, and the rectangular sealing dielectric 38 are effective in making the microwave uniform and increasing the uniformity of the microwave electric field intensity distribution. Here, the H-plane slot antenna is used as the antenna, but an E-plane slot antenna, a circular waveguide, a coaxial waveguide, a coupling element other than the slot, or the like can also be used. Particularly, when a slot antenna having a rectangular or square cross section is used, large power does not concentrate at one point, and characteristic fluctuations such as heat generation and abnormal discharge hardly occur. In addition, since the slot antenna has a rectangular or square shape, it can be easily fixed to the rectangular antenna dielectric 34 and does not easily change in characteristics, so that uniform plasma can be generated.
[0029]
The H-plane slot antenna 30 may be installed in at least one place, but a plurality of H-plane slot antennas may be provided or branched to introduce microwaves into the dielectric, corresponding to a large apparatus for processing a large-diameter sample. May be. At this time, it is preferable to provide an even number, because the design is easy. 2 more ⁿ (N is a natural number) is more preferably provided.
[Rectangular chamber]
The rectangular chamber 25 is preferably formed in a rectangular cross section along the processing surface of the sample 12 in accordance with the rectangular antenna dielectric 34, the rectangular sealing dielectric 38, and the like, because electrical and structural mismatches are reduced. However, when plasma is generated, microwaves are reflected and absorbed by the plasma in the rectangular chamber 25 and are not in the microwave propagation region, so that they need not be rectangular.
[effect]
In the plasma oxynitriding apparatus according to the present embodiment, the region where microwaves propagate in the surface direction along the processing surface of the sample 12, that is, the rectangular antenna dielectric 34 and the rectangular sealing dielectric 38 have a rectangular shape or a square shape. And the length of each dielectric in the X direction and / or Y direction is set to satisfy the standing wave condition of the microwave, so that the microwave in each dielectric is stabilized. Therefore, plasma can be generated uniformly and with high efficiency, and a process margin such as a gas flow rate and a composition ratio can be expanded.
[0030]
The microwave whose electric field intensity distribution is made uniform by the rectangular antenna dielectric 34 is uniformly introduced into the rectangular sealing dielectric 38 via the rectangular slot plate 36, and the uniformity is further improved by the rectangular sealing dielectric 38. Enhanced.
For the same reason, it is preferable that the lengths of the rectangular slot plate 36, the H-plane slot antenna 30, and the rectangular waveguide 20 are also set so as to satisfy the standing wave condition of the microwave.
<Second embodiment>
Hereinafter, the second example of the plasma oxynitriding apparatus according to the first embodiment will be described with reference to the drawings used in the first example again. However, the plasma oxynitriding apparatus according to the second embodiment has the same configuration as that of the first embodiment except for the permittivity described below. In addition to the configuration of the first embodiment, the rectangular antenna dielectric 34 and the rectangular sealing dielectric 38 are formed of the same material, or are formed of a material having the same relative dielectric constant. In a large-diameter chamber, the wavelength of the microwave in each dielectric is expressed by the above formulas (13) and (14). _r It changes with. Therefore, the relative permittivity ε _r Are the same, the wavelength λ ₃₄ , Λ ₃₈ Are the same, the lengths of the rectangular antenna dielectric 34 and the rectangular sealing dielectric 38 in the Y direction can be made uniform, and a more realistic design can be achieved.
<Third embodiment>
Hereinafter, the third embodiment of the plasma oxynitriding apparatus according to the first embodiment will be described with reference to the drawings used in the first embodiment again. However, the plasma oxynitriding apparatus according to the third embodiment has the same configuration as that of the first embodiment except for the rectangular processing chamber 25b described below.
[0031]
In addition to the configuration of the first or second embodiment, the wavelength λ of the microwave inside the rectangular antenna dielectric 34 is further increased. ₃₄ And the wavelength λ of the microwave inside the rectangular sealing dielectric 38 ₃₈ Are substantially coincident with each other as shown in FIG. That is, substantially, λ ₃₄ / 2 = m (1/2) λ ₃₈ The material or length of the dielectric is set so as to satisfy the following. Where λ ₃₄ Is the wavelength of the microwave in the rectangular antenna dielectric 34, λ ₃₈ Is the wavelength of the microwave in the rectangular sealing dielectric 38, and m is an integer of 1 or more. By doing so, it is possible to prevent the microwaves propagating in the respective dielectrics from interfering with each other and attenuating, and to generate uniform plasma. For the same reason, the phases of the wavelengths of all the microwaves propagating inside the rectangular antenna dielectric 34, the rectangular sealing dielectric 38, and the rectangular processing chamber 25b are substantially the same, that is, substantially, λ ₃₄ / 2 = m (1/2), λ ₃₈ = K (λ ₂₅ / 2) is preferably set. Where λ ₂₅ Is the wavelength of the microwave in the rectangular processing chamber 25b, and k is an integer of 1 or more.
<Other embodiments>
(A) The present invention is applicable to compounds other than the silicon process, FPD (Flat Panel Display) processes, and the like. Further, the present invention can be applied to a microwave irradiation device or a microwave heating device that does not use plasma.
(B) The above embodiments can be used in combination as needed.
[0032]
【The invention's effect】
According to the present invention, it is possible to provide a plasma processing apparatus capable of performing uniform processing on a processing surface of a sample.
Further, according to the present invention, a plasma processing apparatus capable of expanding a process margin can be provided.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an external view of a plasma oxynitriding apparatus according to a first embodiment.
FIG. 2 is a cross-sectional view of the apparatus of FIG. 1 in a direction perpendicular to a processing surface of a sample including AA ′.
FIG. 3 is an exploded perspective view of a main part of the plasma oxynitriding apparatus shown in FIG.
FIG. 4 is an explanatory diagram showing the wavelength of a microwave in a rectangular dielectric 15;
FIG. 5 is a diagram showing a traveling direction of a microwave on a vertical wall surface.
FIG. 6 is an electric field intensity distribution diagram of a microwave in a rectangular or square propagation region.
FIG. 7 is an external view of the plasma oxynitriding apparatus of the first embodiment.
FIG. 8 is a cross-sectional view of the device of FIG. 7 perpendicular to the X-axis in the drawing including BB ′ of FIG. 7;
9 is an exploded perspective view of a main part of the plasma oxynitriding apparatus shown in FIG.
FIG. 10 shows a slot shape of an H-plane slot antenna.
FIG. 11 is an explanatory diagram showing a relationship between a main part of the plasma oxynitriding apparatus of FIG. 8 and a wavelength of microwave in a microwave propagation region.
FIG. 12 is a diagram showing a traveling direction of microwaves on a cylindrical wall surface.
FIG. 13 is an electric field intensity distribution diagram of microwaves in a cylindrical propagation region.
[Explanation of symbols]
1 Microwave generator
2,20 rectangular waveguide
3 Coaxial antenna
4 chambers
4a Rectangular chamber lid
4b Round processing room
12 samples
15 Rectangular dielectric
25 rectangular chamber
25a rectangular chamber lid
25b Rectangular processing room
30 H-plane slot antenna
34 Rectangular antenna dielectric
36 rectangular slot plate
38 Rectangular sealing dielectric

Claims

A plasma processing apparatus for performing plasma processing on a sample in a reactor,
Microwave generating means for generating microwaves,
Two opposite sides of a cross section along the processing surface of the sample are connected to the microwave generating means, and two opposite sides of the rectangular shape are parallel to each other, and the electric field intensity distribution of the microwave generated from the microwave generating means is changed to the processing surface of the sample. A first dielectric that is substantially uniform along
Processing means for processing the sample using plasma generated in the reactor by the microwave,
The distance L _d1 between the two opposing sides of the first dielectric in the direction along the processing surface of the sample is a plasma processing apparatus L _d1 = n _d1 (λ _1/2 ) that substantially satisfies the following expression (1). … (1)
Here, lambda _1: wavelength _{n d1} of the microwave of the first dielectric: integer of 1 or more.

A slot plate provided between the reactor and the first dielectric, at least one slot formed therein, for maintaining or further improving the uniformity of the electric field intensity distribution of microwaves in the first dielectric;
Provided between the slot plate and the reactor, two opposing sides of a cross section along the processing surface of the sample are parallel rectangular shapes, and the electric field intensity distribution of microwaves supplied from the slot plate is uniform. A second dielectric material that retains or further enhances the property,
2. The plasma processing apparatus L _d2 = n according to claim 1, wherein a distance L _d2 between two opposing sides of the second dielectric in a direction along a processing surface of the sample substantially satisfies the following expression (2). _{_{d2 (λ 2/2) ...}} (2)
Here, lambda _2: wavelength of the microwaves of the second dielectric _{n d2:} 1 or more integer.

The reactor, two opposing sides of the cross section along the treated surface of the sample is parallel rectangular shape, and the length L _P of the two opposing sides of the reactor is substantially the following formula (3) The plasma processing apparatus L _P = n _P (λ _P / 2) according to claim 1 or 2, which satisfies the following condition:
Here, λ _P : wavelength n _P of the microwave in the reactor: an integer of 1 or more.

3. The plasma processing apparatus according to claim 2, wherein the relative permittivity of each of the first dielectric and the second dielectric is substantially the same.

The plasma processing apparatus λ _{1 according} to claim 2, wherein the wavelength λ ₁ of the microwave in the first dielectric and the wavelength λ ₂ of the microwave in the second dielectric substantially satisfy the following expression (4). / 2 = m (1/2) λ ₂ (4)
Here, λ ₁ : wavelength of the microwave in the first dielectric material λ ₂ : wavelength of the microwave in the second dielectric material m: an integer of 1 or more.

The wavelength λ ₁ of the microwave in the first dielectric, the wavelength λ ₂ of the microwave in the second dielectric, and the wavelength λ _P of the microwave in the reactor substantially correspond to the following equations (5) and (6). 3. The plasma processing apparatus λ 1/2 = m ( _１／) λ ₂ (5) according to claim 2, wherein
λ 1/2 = k ( _１／) λ _P (6)
Here, λ ₁ : wavelength of the microwave in the first dielectric λ ₂ : wavelength of the microwave in the second dielectric λ _P : wavelength m of the microwave in the reactor, k: an integer of 1 or more.