JP2005135801A5

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Publication number: JP2005135801A5
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Filing date: 2003-10-31
Publication date: 2006-12-14

Description

処理装置

本発明は、一般には、処理装置及び方法に係り、特に、マイクロ波プラズマ処理装置に関する。

マイクロ波をプラズマ生起用の励起源として使用するマイクロ波プラズマ処理装置としては、ＣＶＤ装置、エッチング装置、アッシング装置、表面改質装置等が知られている。かかるマイクロ波プラズマ処理装置を使用した被処理基体の処理においては、典型的に、処理室内に処理用ガスを導入し、処理室の外部に設けられたマイクロ波供給装置からマイクロ波を誘電体窓を介して処理室に供給してプラズマを発生させ、ガスを励起、解離、反応させ、処理室内に配された被処理基体を表面処理する。誘電体窓及びその周辺に設けられたＯリングは処理室を減圧又は真空環境に維持する。マイクロ波プラズマ処理装置の例としては、近年、マイクロ波の均一で効率的な導入装置として複数のスロットがＨ面に形成された無終端環状導波管を用いた装置も提案されている（例えば、特許文献１及び２）。
特許第２８８６７５２号公報明細書特許第２９２５５３５号公報明細書

しかしながら、かかるマイクロ波プラズマ処理装置においては、誘電体窓の表面を伝播するマイクロ波表面波が、誘電体窓周辺のＯリングなどの真空シール部まで到達して誘電体窓及び／又は真空シール部を熱変形させたり、変形により処理室の減圧環境を破壊したりするという問題を引き起こしていた。また、マイクロ波及び／又は処理ガスのラジカルが、Ｏリング及び／又はその周辺の部材を表面処理（例えば、スパッタ、ラジカルとＯリングの反応）し、それらの損傷を招いたり、交換頻度を増加させたりするなどの問題も引き起こしていた。

そこで、本発明は、かかる従来の問題を解決し、誘電体窓及びその周辺部材の損傷を抑制し、長時間安定処理を提供することができるプラズマ処理装置を提供することを例示的目的とする。

本発明の一側面としての処理装置は、マイクロ波発生源から供給されるマイクロ波によって被処理基体にプラズマ処理を施す処理装置であって、前記マイクロ波発生源から供給される前記マイクロ波を処理室内に透過させると共に前記処理室の隔壁として機能する誘電体窓と、前記誘電体窓と前記処理室との隙間を封止する封止部とを有し、前記誘電体窓は、前記被処理基体に対向する側に段差を有することを特徴とする。

前記段差は、例えば、前記マイクロ波の前記誘電体窓内の波長の１／８以上の高さを有する。前記段差は、前記マイクロ波を透過する部分よりも前記封止部によって封止される部分の方が厚くなるように形成されることが好ましい。

本発明の別の側面としての処理装置は、マイクロ波発生源から供給されるマイクロ波によって被処理基体にプラズマ処理を施す処理装置であって、前記マイクロ波発生源から供給される前記マイクロ波を処理室内に透過させると共に前記処理室の隔壁として機能する誘電体窓と、前記誘電体窓と前記処理室との隙間を封止する封止部と、前記誘電体窓は、マイクロ波表面波から前記封止部を保護する保護手段を有することを特徴とする。
本発明の別の側面としての処理装置は、マイクロ波発生源から供給されるマイクロ波によって被処理基体にプラズマ処理を施す処理装置であって、前記マイクロ波発生源から供給される前記マイクロ波を処理室内に透過すると共に前記処理室の隔壁として機能する誘電体窓と、前記誘電体窓と前記処理室との隙間を封止する封止部とを有し、前記誘電体窓は、前記被処理基体に対向する側に段差を有し、該段差は、前記マイクロ波の前記誘電体窓内の波長の１／８以上の高さを有し、前記マイクロ波を透過する部分よりも前記封止部によって封止される部分の方が厚くなるように形成されることを特徴とする。

本発明の更なる目的又はその他の特徴は、以下、添付図面を参照して説明される好ましい実施例によって明らかにされるであろう。

本発明によれば、誘電体窓及びその周辺部材の損傷を抑制し、長時間安定処理を提供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。

以下、本発明の一実施例としてのマイクロ波プラズマ処理装置（以下、単に、「処理装置」という。）１００を添付図面を参照して詳細に説明する。ここで、図１は、処理装置１００の概略断面図である。処理装置１００は、同図に示すように、図示しないマイクロ波発生源に接続され、プラズマ処理室１０１、被処理基体１０２、支持体（又は載置台）１０３、温調部１０４、ガス導入部１０５、排気路１０６、誘電体窓１０７、マイクロ波供給手段１０８を有し、被処理基体１０２に対してプラズマ処理を施す。

マイクロ波発生源は、例えば、マグネトロンからなり、例えば、２．４５ＧＨｚのマイクロ波を発生する。但し、本発明は、０．８ＧＨｚ乃至２０ＧＨｚの範囲からマイクロ波周波数を適宜選択することができる。マイクロ波は、その後、図示しないモード変換器によりＴＭ、ＴＥ又はＴＥＭモードなどに変換されて導波管を伝搬する。マイクロ波の導波経路には、アイソレーターやインピーダンス整合器などが設けられる。アイソレーターは、反射されたマイクロ波がマイクロ波発生源に戻ることを防止し、そのような反射波を吸収する。インピーダンス整合器は、マイクロ波発生源から負荷に供給される進行波と負荷により反射されてマイクロ波発生源に戻ろうとする反射波のそれぞれの強度と位相を検知するパワーメータを有し、マイクロ波発生源と負荷側とのマッチングをとる機能を果たすものであって、４Ｅチューナ、ＥＨチューナやスタブチューナ等から構成される。

プラズマ処理室１０１は、被処理基体１０２を収納して真空又は減圧環境下で被処理基体１０２にプラズマ処理を施す真空容器である。なお、図１においては、被処理基体１０２を図示しないロードロック室との間で受け渡すためのゲートバルブなどは省略されている。

被処理基体１０２は、半導体であっても、導電性のものであっても、あるいは電気絶縁性のものであってもよい。導電性基体としては、Ｆｅ，Ｎｉ，Ｃｒ，Ａｌ，Ｍｏ，Ａｕ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｖ，Ｔｉ，Ｐｔ，Ｐｂなどの金属またはこれらの合金、例えば真鍮、ステンレス鋼などが挙げられる。絶縁性基体としては、ＳｉＯ_２系の石英や各種ガラス、Ｓｉ_３Ｎ_４，ＮａＣｌ，ＫＣｌ，ＬｉＦ，ＣａＦ_２，ＢａＦ_２，Ａｌ_２Ｏ_３，ＡｌＮ，ＭｇＯなどの無機物、ポリエチレン，ポリエステル，ポリカーボネート，セルロースアセテート，ポリプロピレン，ポリ塩化ビニル，ポリ塩化ビニリデン、ポリスチレン、ポリアミド、ポリイミドなどの有機物のフィルム、窓などが挙げられる。

被処理基体１０２は、支持体１０３に載置される。必要があれば、支持体１０３は高さ調節が可能に構成されてもよい。支持体１０３は、プラズマ処理室１０１に収納され、被処理基体１０２を支持する。

温調部１０４は、ヒーターなどから構成され、例えば、２００℃以上４００℃以下の処理に適した温度に制御される。温調部１０４は、例えば、支持体１０３の温度を測定する温度計と、温度計が測定した温度が所定の温度になるように、例えば、温調部としてのヒーター線への図示しない電源からの通電を制御する制御部とを有する。

ガス導入部１０５は、プラズマ処理室１０１の周辺に設けられ、プラズマ処理用のガスをプラズマ処理室１０１に供給する。ガス導入部１０５は、ガス供給手段の一部であり、ガス供給手段は、ガス供給源と、バルブと、マスフローコントローラと、これらを接続するガス導入管を含み、マイクロ波により励起されて所定のプラズマを得るための処理ガスや放電ガスを供給する。プラズマの迅速な着火のために少なくとも着火時にＸｅやＡｒ、Ｈｅなどの希ガスを添加してもよい。希ガスは反応性がないので被処理基体１０２に悪影響せず、また、電離しやすいのでマイクロ波投入時のプラズマ着火速度を上昇することができる。

ガス導入部１０５の向きは、ガスが誘電体窓１０７近傍に発生するプラズマ領域Ｐ（図２記載）を経由した後中央付近に十分に供給されてから被処理基体１０２の表面を中央から周辺に向かって流れるように、誘電体窓１０７に向けてガスを吹き付けられる構造を有することが最適である。

ＣＶＤ法により基板上に薄膜を形成する場合に用いられるガスとしては、一般に公知のガスが使用できる。

ａ−Ｓｉ、ｐｏｌｙ−Ｓｉ、ＳｉＣなどのＳｉ系半導体薄膜を形成する場合の原料ガスとしては、ＳｉＨ_４，Ｓｉ_２Ｈ_６などの無機シラン類、テトラエチルシラン（ＴＥＳ）、テトラメチルシラン（ＴＭＳ）、ジメチルシラン（ＤＭＳ）、ジメチルジフルオロシラン（ＤＭＤＦＳ）、ジメチルジクロルシラン（ＤＭＤＣＳ）などの有機シラン類、ＳｉＦ_４、Ｓｉ_２Ｆ_６、Ｓｉ_３Ｆ_８、ＳｉＨＦ_３、ＳｉＨ_２Ｆ_２、ＳｉＣｌ_４、Ｓｉ_２Ｃｌ_６、ＳｉＨＣｌ_３、ＳｉＨ_２Ｃｌ_２、ＳｉＨ_３Ｃｌ、ＳｉＣｌ_２Ｆ_２などのハロゲン化シラン類等、常温常圧でガス状態であるものまたは容易にガス化し得るものが挙げられる。また、この場合のＳｉ原料ガスと混合して導入してもよい添加ガスまたはキャリアガスとしては、Ｈ_２、Ｈｅ、Ｎｅ、Ａｒ、Ｋｒ、Ｘｅ、Ｒｎが挙げられる。

Ｓｉ_３Ｎ_４，ＳｉＯ_２などのＳｉ化合物系薄膜を形成する場合の原料としては、ＳｉＨ_４、Ｓｉ_２Ｈ_６などの無機シラン類、テトラエトキシシラン（ＴＥＯＳ）、テトラメトキシシラン（ＴＭＯＳ）、オクタメチルシクロテトラシラン（ＯＭＣＴＳ）、ジメチルジフルオロシラン（ＤＭＤＦＳ）、ジメチルジクロルシラン（ＤＭＤＣＳ）などの有機シラン類、ＳｉＦ_４、Ｓｉ_２Ｆ_６、Ｓｉ_３Ｆ_８、ＳｉＨＦ_３、ＳｉＨ_２Ｆ_２、ＳｉＣｌ_４、Ｓｉ_２Ｃｌ_６、ＳｉＨＣｌ_３、ＳｉＨ_２Ｃｌ_２、ＳｉＨ_３Ｃｌ、ＳｉＣｌ_２Ｆ_２などのハロゲン化シラン類等、常温常圧でガス状態であるものまたは容易にガス化し得るものが挙げられる。また、この場合の同時に導入する窒素原料ガスまたは酸素原料ガスとしては、Ｎ_２、ＮＨ_３、Ｎ_２Ｈ_４、ヘキサメチルジシラザン（ＨＭＤＳ）、Ｏ_２、Ｏ_３、Ｈ_２Ｏ、ＮＯ、Ｎ_２Ｏ、ＮＯ_２などが挙げられる。

Ａｌ、Ｗ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｔａなどの金属薄膜を形成する原料としては、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡｌ）、トリエチルアルミニウム（ＴＥＡｌ）、トリイソブチルアルミニウム（ＴＩＢＡｌ）、ジメチルアルミニウムハイドライド（ＤＭＡｌＨ）、タングステンカルボニル（Ｗ(ＣＯ)_６）、モリブデンカルボニル（Ｍｏ(ＣＯ)_６）、トリメチルガリウム（ＴＭＧａ）、トリエチルガリウム（ＴＥＧａ）などの有機金属、ＡｌＣｌ_３、ＷＦ_６、ＴｉＣｌ_３、ＴａＣｌ_５などのハロゲン化金属等が挙げられる。また、この場合のＳｉ原料ガスと混合して導入してもよい添加ガスまたはキャリアガスとしては、Ｈ_２、Ｈｅ、Ｎｅ、Ａｒ、Ｋｒ、Ｘｅ、Ｒｎが挙げられる。

Ａｌ_２Ｏ_３、ＡｌＮ、Ｔａ_２Ｏ_５、ＴｉＯ_２、ＴｉＮ、ＷＯ_３などの金属化合物薄膜を形成する場合の原料としては、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡｌ）、トリエチルアルミニウム（ＴＥＡｌ）、トリイソブチルアルミニウム（ＴＩＢＡｌ）、ジメチルアルミニウムハイドライド（ＤＭＡｌＨ）、タングステンカルボニル（Ｗ(ＣＯ)_６）、モリブデンカルボニル（Ｍｏ(ＣＯ)_６）、トリメチルガリウム（ＴＭＧａ）、トリエチルガリウム（ＴＥＧａ）などの有機金属、ＡｌＣｌ_３、ＷＦ_６、ＴｉＣｌ_３、ＴａＣｌ_５などのハロゲン化金属等が挙げられる。また、この場合の同時に導入する酸素原料ガスまたは窒素原料ガスとしては、Ｏ_２、Ｏ_３、Ｈ_２Ｏ、ＮＯ、Ｎ_２Ｏ、ＮＯ_２、Ｎ_２、ＮＨ_３、Ｎ_２Ｈ_４、ヘキサメチルジシラザン（ＨＭＤＳ）などが挙げられる。

被処理基体１０２の表面をエッチングするエッチング用ガスとしては、Ｆ_２、ＣＦ_４、ＣＨ_２Ｆ_２、Ｃ_２Ｆ_６、Ｃ_３Ｆ_８、Ｃ_４Ｆ_８、ＣＦ_２Ｃｌ_２、ＳＦ_６、ＮＦ_３、Ｃｌ_２、ＣＣｌ_４、ＣＨ_２Ｃｌ_２、Ｃ_２Ｃｌ_６などが挙げられる。フォトレジストなど被処理基体１０２の表面上の有機成分をアッシング除去するアッシング用ガスとしては、Ｏ_２、Ｏ_３、Ｈ_２Ｏ、ＮＯ、Ｎ_２Ｏ、ＮＯ_２、Ｈ_２などが挙げられる。

被処理基体１０２を表面改質する場合、使用するガスを適宜選択することにより、例えば基体もしくは表面層としてＳｉ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｚｎ、Ｔａなどを使用してこれら基体もしくは表面層の酸化処理あるいは窒化処理さらにはＢ、Ａｓ、Ｐなどのドーピング処理等が可能である。更に本発明において採用する成膜技術はクリーニング方法にも適用できる。その場合酸化物あるいは有機物や重金属などのクリーニングに使用することもできる。

被処理基体１０２を酸化表面処理する酸化性ガスとしては、Ｏ_２、Ｏ_３、Ｈ_２Ｏ、ＮＯ、Ｎ_２Ｏ、ＮＯ_２などが挙げられ、被処理基体１０２を窒化表面処理する窒化性ガスとしては、Ｎ_２、ＮＨ_３、Ｎ_２Ｈ_４、ヘキサメチルジシラザン（ＨＭＤＳ）などが挙げられる。

被処理基体１０２の表面の有機物をクリーニングする場合、またはフォトレジストなど被処理基体１０２の表面上の有機成分をアッシング除去する場合の処理用ガス導入口となるガス導入部１０５から導入するクリーニング／アッシング用ガスとしては、Ｏ_２、Ｏ_３、Ｈ_２Ｏ、ＮＯ、Ｎ_２Ｏ、ＮＯ_２、Ｈ_２などが挙げられる。また、基体表面の無機物をクリーニングする場合の処理用ガス導入口となるガス導入部１０５から導入するクリーニング用ガスとしては、Ｆ_２、ＣＦ_４、ＣＨ_２Ｆ_２、Ｃ_２Ｆ_６、Ｃ_４Ｆ_８、ＣＦ_２Ｃｌ_２、ＳＦ_６、ＮＦ_３などが挙げられる。

排気路１０６は、典型的にプラズマ処理室１０１の底部に設けられ、図示しない真空ポンプに接続されている。排気路１０６は、図示しない圧力調整弁、圧力計、真空ポンプ及び制御部と共に圧力調節機構を構成する。即ち、図示しない制御部は、真空ポンプを運転しながら、プラズマ処理室１０１の圧力を検出する圧力計が所定の値になるように、プラズマ処理室１０１の圧力を弁の開き具合で調整する圧力調整弁（例えば、ＶＡＴ製の圧力調整機能付きゲートバルブやＭＫＳ製排気スロットバルブ）を制御することによって調節する。この結果、排気路１０６を介して、プラズマ処理室１０１の内部圧力を処理に適した圧力に制御する。圧力は、好ましくは、１３ｍＰａ乃至１３３０Ｐａの範囲、より好ましくは、６６５ｍＰａから６６５Ｐａの範囲が適当である。真空ポンプは、例えば、ターボ分子ポンプ（ＴＭＰ）により構成され、図示しないコンダクタンスバルブなどの圧力調整バルブを介してプラズマ処理室１０１に接続されている。

誘電体窓１０７は、マイクロ波発生源から供給されるマイクロ波をプラズマ処理室１０１内に透過させると共にプラズマ処理室１０１の隔壁として機能する。誘電体窓１０７は、図２に示すように、特徴的に、被処理基体１０２に対向する側に段差Ｌを有する。ここで、図２は、誘電体窓１０７の形状を示すための処理装置１００の部分拡大断面図である。

本実施形態では、誘電体窓１０７の周辺部１０７ｂがマイクロ波を導入する導入部１０７ａよりも盛り上がった断面凹型であるが、本発明は、誘電体窓１０７が周辺部１０７ｂよりも導入部１０７ａが盛り上がった断面凸型であってもよい。但し、導入部１０７ａが薄い方が透過率が高くなるので断面凹型が好ましい。更に、段差Ｌは、誘電体窓１０７内の波長の１／８以上であることが好ましい。これよりも低いとマイクロ波表面波が段差の高い方に及ぶからである。図２は、段差Ｌが階段状断面を有することを示しているが、段差Ｌの数、傾斜角度、形状（例えば、段差が曲線状の断面を有するなど）は問わない。段差Ｌは、後述するように、表面波から封止部を保護する保護手段として機能する。なお、本発明はかかる保護手段を段差に限定するものではなく、広く、誘電体窓１０７がかかる保護手段を有すれば足りる。

スロット付平板状のマイクロ波供給手段１０８は、マイクロ波を誘電体窓１０７を介してプラズマ処理室１０１に導入する機能を有し、スロット付無終端環状導波管でも、同軸導入平板マルチスロットアンテナでも、マイクロ波を平板状に供給できるものであれば適用可能である。本発明のマイクロ波プラズマ処理装置に用いられる平板状のマイクロ波供給手段１０８の材質は、導電体であれば使用可能であるが、マイクロ波の伝搬ロスをできるだけ抑えるため、導電率の高いＡｌ、Ｃｕ、Ａｇ／ＣｕメッキしたＳＵＳなどが最適である。

例えば、スロット付平板状のマイクロ波供給手段１０８がスロット付無終端環状導波管である場合、冷却水路とスロットアンテナが設けられている。スロットアンテナは誘電体窓１０７表面の真空側に干渉による表面定在波を形成する。スロットアンテナは、例えば、半径方向のスロット、円周方向に沿ったスロット、略Ｔ字形状の同心円状又は螺旋状に配置された多数のスロット、又は、Ｖの字形状の一対のスロットを４対有する金属製の円板である。なお、被処理基体１０２面内において、ばらつきのない均一な処理を全面に渡って行うためには、被処理基体１０２上において面内均一性の良好な活性種が供給されることが重要である。スロットアンテナは少なくとも一本以上のスロットを配置することで、大面積に渡ってプラズマを生成させることが可能となり、プラズマ強度・均一性の制御も容易になる。

処理装置１００は、図２に示すように、プラズマ処理室１０１と誘電体窓１０７との隙間を封止する封止手段であるＯリング１２１を更に有する。

以下、処理装置１００の動作について説明する。まず、図示しない真空ポンプを介してプラズマ処理室１０１内を真空排気する。続いて、ガス供給手段の図示しないバルブが開口され、マスフローコントローラを介して処理ガスが所定の流量でガス導入部１０５からプラズマ処理室１０１に導入される。次に図示しない圧力調整弁を調整し、プラズマ処理室１０１内を所定の圧力に保持する。また、マイクロ波発生源よりマイクロ波を、マイクロ波供給手段１０８、誘電体窓１０７を介してプラズマ処理室１０１に供給し、プラズマ処理室１０１内でプラズマを発生させる。マイクロ波供給手段１０８内に導入されたマイクロ波は、自由空間よりも長い管内波長をもって伝搬し、スロットから誘電体窓１０７を介してプラズマ処理室１０１に導入され、誘電体窓１０７の表面を表面波として伝搬する。この表面波は、隣接するスロット間で干渉し、表面定在波を形成する。この表面定在波の電界により高密度プラズマを生成する。プラズマ生成域の電子密度が高いので処理ガスを効率良く解離できる。また、電界が誘電体近傍に局在するので、電子温度はプラズマ生成域から離れると急速に低下するため、デバイスへのダメージも抑制できる。プラズマ中の活性種は、被処理基体１０２近辺に拡散等で輸送され、被処理基体１０２の表面に到達する。

成膜処理の場合、使用するガスを適宜選択することによりＳｉ_３Ｎ_４、ＳｉＯ_２、ＳｉＯＦ，Ｔａ_２Ｏ_５、ＴｉＯ_２、ＴｉＮ、Ａｌ_２Ｏ_３、ＡｌＮ、ＭｇＦ_２などの絶縁膜、ａ−Ｓｉ、ｐｏｌｙ−Ｓｉ、ＳｉＣ、ＧａＡｓなどの半導体膜、Ａｌ、Ｗ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｔａなどの金属膜等、各種の堆積膜を効率よく形成することが可能である。

プラズマ処理におけるシール面の状態を図２を参照して説明する。同図において、Ｗは表面波、Ｐはプラズマ領域、Ｓは誘電体窓１０７とプラズマ処理室壁１０１ａとの隙間である。なお、図１及び図２は、作図の便宜上、プラズマ処理室壁１０１ａその他の部材に関して相互に一致しない形状を含んでいる。

従来は、段差Ｌが存在せず、誘電体窓１０７の下面は平坦であったため、誘電体窓の底面を伝播する表面波が、Ｏリングなどのシール部まで到達して誘電体窓及び／又は真空シール部を熱変形させたり、変形により処理室の減圧環境を破壊したりするという問題を引き起こしていた。また、マイクロ波及び／又は処理ガスのラジカルが、Ｏリング及び／又はその周辺の部材を表面処理（例えば、スパッタ、ラジカルとＯリングの反応）し、それらの損傷を招いたり、交換頻度を増加させたりするなどの問題も引き起こしていた。

これに対して、本実施形態によれば、表面波Ｗはプラズマ領域Ｐ中を伝播できず、誘電体窓１０７の表面を伝播し、誘電体窓１０７の周辺へも到達する。しかし、真空シール面は表面波Ｗの伝播中心から充分ずらしてあるので、隙間Ｓでの放電やＯリング１２１などの部材の損傷は低減され、長時間安定処理が可能になる。なお、誘電体窓１０７の誘電率は、高い方が表面波Ｗが隙間Ｓに伝播しやすくなるので、４以上の場合に特に有効である。

処理装置１００において、より低圧で処理するために、磁界発生手段を用いても良い。本発明のプラズマ処理装置及び処理方法において用いられる磁界としては、スロットの幅方向に発生する電界に垂直な磁界であれば適用可能である。磁界発生手段としては、コイル以外でも、永久磁石でも使用可能である。コイルを用いる場合には過熱防止のため水冷機構や空冷など他の冷却手段を用いてもよい。

以下、マイクロ波プラズマ処理装置１００の具体的な適用例を説明するが、本発明はこれらの例に限定されるものではない。

処理装置１００の一例として、窒化アルミニウム製誘電体窓とスロット付無終端環状導波管を用いた例を図３を用いて説明する。１０１は円筒形状のプラズマ処理室、１０２は被処理基体、１０３は被処理基体１０２の支持体、１０４は基板温度調整手段である温調部、１０５はプラズマ処理室１０１の周辺に設けられたプラズマ処理用ガス導入手段であるガス導入部、１０６は排気路、１０７は誘電体窓、１０８はマイクロ波を誘電体窓１０７を介してプラズマ処理室１０１に導入するためのマイクロ波供給手段であり、同図ではスロット付無終端環状導波管である。

誘電体窓１０７の材質は窒化アルミニウムで、中央厚み１０ｍｍ、周辺厚み１７ｍｍのものを用いた。使用した窒化アルミニウムの誘電率は９．８で、マイクロ波の窓内波長λｄは３９．１ｍｍであるので、窓の段差７ｍｍはλｄ／８よりも大きくなっている。誘電体窓１０７は、プラズマ生成領域に直接曝されるため、熱伝導率が低い材料を用いた場合、誘電体窓１０７の過昇温により間接的に被処理基体１０２の過剰な温度上昇を招く恐れがある。誘電体窓１０７の材料として、熱伝導率が７０Ｗ／ｍ・Ｋ以上の窒化アルミなどを用いることでプラズマ照射中も誘電体窓１０７の温度を３００℃以下に抑えることができ、被処理基体１０２の過熱による処理効率の低下を回避することができる。

スロット付無終端環状導波管１０８は、ＴＥ１０モードで、内壁断面の寸法が２７ｍｍ×９６ｍｍ（管内波長１５８．８ｍｍ）、導波管の中心径が１５１．６ｍｍ（一周長は管内波長の３倍）のものを用いた。スロット付無終端環状導波管１０８の材質は、マイクロ波の伝搬損失を抑えるため、すべてＡｌ合金を用いている。スロット付無終端環状導波管１０８のＨ面には、マイクロ波をプラズマ処理室１０１へ導入するためのスロットが形成されている。スロットは、長さ４０ｍｍ，幅４ｍｍの矩形で、中心直径が１５１．６ｍｍの位置に、放射状に６０°間隔で６本形成されている。スロット付無終端環状導波管１０８には、４Ｅチューナ、方向性結合器、アイソレーター、２．４５ＧＨｚの周波数を持つマイクロ波電源（不図示）が順に接続されている。

プラズマ処理は以下のようにして行なう。排気系（不図示）を介してプラズマ処理室１０１内を真空排気する。続いて処理用ガスをプラズマ処理室１０１の周辺に設けられたガス導入部１０５を介して所定の流量でプラズマ処理室１０１内に導入する。次に排気系（不図示）に設けられたコンダクタンスバルブ（不図示）を調整し、プラズマ処理室１０１内を所定の圧力に保持する。マイクロ波電源（不図示）より所望の電力をスロット付無終端環状導波管１０８を介し誘電体窓１０７を透過してプラズマ処理室１０１内に供給する。表面波はプラズマ中に伝播できず、誘電体窓１０７表面を伝播し周辺へも到達するが、真空シール面は表面波の伝播中心から充分ずらしてあるので、隙間での放電やＯリングなどの部材の損傷は低減され、長時間安定処理が可能になる。周辺から導入された処理用ガスは、発生した高密度プラズマにより励起・イオン化・反応して活性化し、支持体１０３上に載置された被処理基体１０２の表面を高速かつ高品質に処理する。

処理装置１００の他の一例として、アルミナ窓と同軸導入マルチスロットアンテナとを使用した例を図４を用いて説明する。１０１は円筒形状のプラズマ処理室、１０２は被処理基体、１０３は被処理基体１０２の支持体、１０４は基板温度調整手段である温調部、１０５はプラズマ処理室１０１の周辺に設けられたプラズマ処理用ガス導入手段であるガス導入部、１０６は排気路、１０７は誘電体窓、１０８はマイクロ波供給手段（ここでは、マイクロ波を誘電体窓１０７を透してプラズマ処理室１０１に導入するための同軸導入マルチスロットアンテナ）である。

誘電体窓１０７の材質はアルミナで、中央部の厚みは１０ｍｍ、周辺部の厚み１６ｍｍのものを用いた。使用したアルミナの誘電率は９．８で、マイクロ波の窓内波長λｄは３９．１ｍｍであるので、窓の段差６ｍｍはλｄ／８よりも大きくなっている。マイクロ波供給手段（同軸導入マルチスロットアンテナ）１０８はマイクロ波電力を給電する中心軸とアンテナ円板上に配された多数のスロットから構成される。同軸導入マルチスロットアンテナ１０８の材質は、マイクロ波の伝搬損失を抑えるため、中心軸はＣｕを、アンテナ円板はＡｌを用いている。スロットの形状は、長さ１２ｍｍ、幅１ｍｍの矩形のものが１２ｍｍ間隔の同心円状に、円の接線方向に無数に形成されている。同軸導入マルチスロットアンテナ１０８には、４Ｅチューナ、方向性結合器、アイソレーター、２．４５ＧＨｚの周波数を持つマイクロ波電源（不図示）が順に接続されている。

プラズマ処理は以下のようにして行なう。排気系（不図示）を介してプラズマ処理室１０１内を真空排気する。続いて処理用ガスをプラズマ処理室１０１の周辺に設けられたガス導入部１０５を介して所定の流量でプラズマ処理室１０１内に導入する。次に排気系（不図示）に設けられたコンダクタンスバルブ（不図示）を調整し、プラズマ処理室１０１内を所定の圧力に保持する。マイクロ波電源（不図示）より所望の電力をマイクロ波供給手段（スロット付無終端環状導波管）１０８を介してプラズマ処理室１０１内に供給する。表面波はプラズマ中に伝播できず、誘電体窓１０７表面を伝播し周辺へも到達するが、真空シール面は表面波の伝播中心から充分ずらしてあるので、隙間での放電やＯリングなどの部材の損傷は低減され、長時間安定処理が可能になる。周辺から導入された処理用ガスは、発生した高密度プラズマにより励起・イオン化・反応して活性化し、支持体１０３上に載置された被処理基体１０２の表面を高速かつ高品質に処理する。

第３図に示した処理装置を使用し、半導体素子ゲート酸化膜の表面窒化処理を行った。被処理基体１０２としては、１．４ｎｍ酸化膜付きφ８”Ｐ型単結晶シリコン基板（面方位〈１００〉，抵抗率１０Ωｃｍ）を使用した。まず、被処理基体１０２を支持体１０３上に設置した後、排気系（不図示）を介してプラズマ処理室１０１内を真空排気し、１０^−５Ｐａの値まで減圧させた。続いて温調部（ヒーター）１０４に通電し、被処理基体１０２を３００℃に加熱し、該基体をこの温度に保持した。ガス導入部１０５を介して窒素ガスを３００ｓｃｃｍの流量でプラズマ処理室１０１内に導入した。ついで、排気系（不図示）に設けられたコンダクタンスバルブ（不図示）を調整し、プラズマ処理室１０１内を０．１３３Ｐａに保持した。ついで、２．４５ＧＨｚのマイクロ波電源（不図示）より１．０ｋＷの電力をマイクロ波供給手段（スロット付無終端環状導波管）１０８を介して供給した。かくして、プラズマ処理室１０１内にプラズマを発生させた。この際、ガス導入部１０５を介して導入された窒素ガスはプラズマ処理室１０１内で励起、分解されてＮ＋イオンやＮラジカルなどの活性種となり、被処理基体１０２の方向に輸送され、酸化シリコン膜の表面を０．８ｎｍ程度の深さまで窒化した。

処理後、窒化速度，均一性，耐圧，リーク電流などの膜質について評価した。窒化速度は０．３nmの深さで約１１％／min，酸化膜換算膜厚均一性は±２．８％，耐圧は９．８ＭＶ／ｃｍ，リーク電流は２．１μＡ／ｃｍ ^２で良好であった。

第４図に示した処理装置を使用し、シリコン基板の直接酸化による半導体素子ゲート絶縁用酸化シリコン膜の形成を行った。被処理基体１０２としては、φ８”Ｐ型単結晶シリコン基板（面方位〈１００〉，抵抗率１０Ωｃｍ）を使用した。まず、被処理基体１０２を支持体１０３上に設置した。排気系（不図示）を介してプラズマ処理室１０１内を真空排気し、１０^−５Ｐａの値まで減圧させた。続いて温調部（ヒーター）１０４に通電し、被処理基体１０２を４５０℃に加熱し、該基体をこの温度に保持した。ガス導入部１０５を介して酸素ガスを２００ｓｃｃｍの流量でプラズマ処理室１０１に導入した、ついで、排気系（不図示）に設けられたコンダクタンスバルブ（不図示）を調整し、プラズマ処理室１０１内を６．６５Ｐａに保持した。ついで、２．４５ＧＨｚのマイクロ波電源より１．０ｋＷの電力を同軸導入マルチスロットアンテナ１０８を介してプラズマ処理室１０１内に供給した。かくして、プラズマ処理室１０１内にプラズマを発生させた。ガス導入部１０５を介して導入された酸素ガスはプラズマ処理室１０１内で励起、分解されて活性種となり、被処理基体１０２の方向に輸送され、被処理基体１０２表面が１．２ｎｍ程度酸化された。

処理後、酸化速度、均一性，耐圧、リーク電流、及びフラットバンドシフトについて評価した。酸化速度は０．８nm/min、均一性は±２．７％、耐圧は９．１ＭＶ／ｃｍ、リーク電流は３．０μＡ／ｃｍ ^２、ΔＶｆｂは０．２Ｖと良好であった。

第４図に示した処理装置を使用し、半導体素子ゲート絶縁用酸化タンタル膜の形成を行った。被処理基体１０２としては、φ８”Ｐ型単結晶シリコン基板（面方位〈１００〉，抵抗率１０Ωｃｍ）を使用した。まず、被処理基体１０２を支持体１０３上に設置した。排気系（不図示）を介してプラズマ処理室１０１内を真空排気し、１０^−５Ｐａの値まで減圧させた。続いて温調部（ヒーター）１０４に通電し、被処理基体１０２を３００℃に加熱し、該基体をこの温度に保持した。ガス導入部１０５を介して酸素ガスを２００ｓｃｃｍの流量で、また、ＴＥＯＴガスを１０ｓｃｃｍの流量で処理室１０１内に導入した。ついで、排気系（不図示）に設けられたコンダクタンスバルブ（不図示）を調整し、プラズマ処理室１０１内を５０ｍＴｏｒｒに保持した。ついで、２．４５ＧＨｚのマイクロ波電源より２．０ｋＷの電力を同軸導入マルチスロットアンテナ１０８を介してプラズマ処理室１０１内に供給した。かくして、プラズマ処理室１０１内にプラズマを発生させた。ガス導入部１０５を介して導入された酸素ガスはプラズマ処理室１０１内で励起、分解されて活性種となり、被処理基体１０２の方向に輸送され、ＴＥＯＴガスと反応し、酸化タンタル膜が被処理基体１０２上に５ｎｍの厚さで形成された。

処理後、成膜速度、均一性、耐圧、リーク電流、及びフラットバンドシフトについて評価した。成膜速度は２．３nm/min、均一性は±３．１％、耐圧は７．３ＭＶ／ｃｍ、リーク電流は４．６μＡ／ｃｍ ^２、ΔＶｆｂは０．１Ｖと良好であった。

第３図に示した処理装置を使用し、半導体素子層間絶縁用低誘電率有機膜のエッチングを行った。被処理基体１０２としては、ＭＯＳキャパシタと１層目配線を形成した上に低誘電率有機膜としてポリアリールエーテル膜が０．４μｍ厚形成されたφ８”Ｐ型単結晶シリコン基板（面方位〈１００〉，抵抗率１０Ωｃｍ）を使用した。まず、被処理基体１０２を支持体１０３上に設置した後、排気系（不図示）を介してエッチング室となるプラズマ処理室１０１内を真空排気し、１０^−５Ｐａの値まで減圧させた。ガス導入部１０５を介してＮＨ３を１００ｓｃｃｍの流量でプラズマ処理室１０１内に導入した。ついで、排気系（不図示）に設けられたコンダクタンスバルブ（不図示）を調整し、プラズマ処理室１０１内を５ｍＴｏｒｒの圧力に保持した。ついで、４００ｋＨｚの高周波印加手段を介して１００Ｗの電力を支持体１０３に印加するとともに、２．４５ＧＨｚのマイクロ波電源より２．０ｋＷの電力をマイクロ波供給手段（スロット付無終端環状導波管）１０８を介してプラズマ処理室１０１内に供給した。かくして、プラズマ処理室１０１内にプラズマを発生させた。ガス導入部１０５を介して導入されたＮＨ３ガスはプラズマ処理室１０１内で励起、分解されて活性種となり、被処理基体１０２の方向に輸送され、自己バイアスによって加速されたイオンによってポリアリールエーテル膜がエッチングされた。温調部１０４により基板温度は１０℃までしか上昇しなかった。

エッチング後、エッチング速度、選択比、及びエッチング形状について評価した。エッチング速度と均一性、対ポリシリコン選択比は３１０ｎｍ／ｍｉｎ、±４．２％、１２と良好で、エッチング形状もほぼ垂直で、マイクロローディング効果も少ないことが確認された。

第３図に示したマイクロ波プラズマ処理装置を使用し、半導体素子ゲート電極間ポリシリコン膜のエッチングを行った。被処理基体１０２としては、最上部にポリシリコン膜が形成されたφ８”Ｐ型単結晶シリコン基板（面方位〈１００〉，抵抗率１０Ωｃｍ）を使用した。まず、被処理基体１０２を支持体１０３上に設置した後、排気系（不図示）を介してプラズマ処理室１０１内を真空排気し、１０^−５Ｐａの値まで減圧させた。ガス導入部１０５を介してＣＦ４ガスを３００ｓｃｃｍ、酸素を２０ｓｃｃｍの流量でプラズマ処理室１０１内に導入した。ついで、排気系（不図示）に設けられたコンダクタンスバルブ（不図示）を調整し、プラズマ処理室１０１内を２６６ｍＰａの圧力に保持した。ついで、４００ｋＨｚの高周波電源（不図示）からの高周波電力３００Ｗを支持体１０３に印加するとともに、２．４５ＧＨｚのマイクロ波電源より２．０ｋＷの電力をマイクロ波供給手段（スロット付無終端環状導波管）１０８を介してプラズマ処理室１０１内に供給した。かくして、プラズマ処理室１０１内にプラズマを発生させた。ガス導入部１０５を介して導入されたＣＦ_４ガス及び酸素はプラズマ処理室１０１内で励起、分解されて活性種となり、被処理基体１０２の方向に輸送され、自己バイアスにより加速されたイオンによりポリシリコン膜がエッチングされた。温調部１０４により、基板温度は８０℃までしか上昇しなかった。

エッチング後、エッチング速度、均一性、選択比、及びエッチング形状について評価した。エッチング形状は、エッチングされたポリシリコン膜の断面を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）で観測し、評価した。エッチング速度と均一性、対ＳｉＯ_２選択比はそれぞれ８５０ｎｍ／ｍｉｎ、±３．７％、２４と良好で、エッチング形状も垂直で、マイクロローディング効果も少ないことが確認された。

第３図に示した処理装置を使用し、フォトレジストのアッシングを行った。被処理基体１０２としては、ゲート電極をエッチングした直後のφ８”シリコン基板を使用した。まず、被処理基体１０２を支持体１０３上に設置した後、温調部（ヒーター）１０４を用いて２００℃まで加熱し、排気系（不図示）を介してプラズマ処理室１０１内を真空排気し、１０^−２Ｐａまで減圧させた。ガス導入部１０５を介して酸素ガスを２ｓｌｍの流量でプラズマ処理室１０１内に導入した。ついで、排気系（不図示）に設けられたコンダクタンスバルブ（不図示）を調整し、プラズマ処理室１０１内を１３３Ｐａに保持した。プラズマ処理室１０１内に、２．４５ＧＨｚのマイクロ波電源より２．５ｋＷの電力をマイクロ波供給手段（スロット付無終端環状導波管）１０８を介して供給した。かくして、プラズマ処理室１０１内にプラズマを発生させた。この際、ガス導入部１０５を介して導入された酸素ガスはプラズマ処理室１０１内で励起、分解、反応してオゾンとなり、被処理基体１０２の方向に輸送され、被処理基体１０２上のフォトレジストを酸化し、気化・除去された。

アッシング後、アッシング速度と均一性、基板表面電荷密度などについて評価した。得られたアッシング速度と均一性は、７．５μｍ／ｍｉｎ±４．２％、表面電荷密度も０．５×１０１１ｃｍ^−２と良好であった。

本発明のマイクロ波プラズマ処理装置の概略断面図である。図１に示すマイクロ波プラズマ処理装置の誘電体窓の形状を示す概略部分拡大図である。図１に示すマイクロ波プラズマ処理装置がスロット付無終端環状導波管と窒化アルミニウム窓を使用する例を示す概略断面図である。図１に示すマイクロ波プラズマ処理装置が同軸導入マルチスロットアンテナとアルミナ窓を使用する例を示す概略断面図である。

符号の説明

１００処理装置
１０１プラズマ処理室
１０２被処理基体
１０７誘電体窓
１２１Ｏリング

Claims

マイクロ波発生源から供給されるマイクロ波によって被処理基体にプラズマ処理を施す処理装置であって、
前記マイクロ波発生源から供給される前記マイクロ波を処理室内に透過させると共に前記処理室の隔壁として機能する誘電体窓と、
前記誘電体窓と前記処理室との隙間を封止する封止部とを有し、
前記誘電体窓は、前記被処理基体に対向する側に段差を有することを特徴とする処理装置。
前記段差は、前記マイクロ波の前記誘電体窓内の波長の１／８以上の高さを有することを特徴とする請求項１記載の処理装置。
前記段差は、前記マイクロ波を透過する部分よりも前記封止部によって封止される部分の方が厚くなるように形成されることを特徴とする請求項１記載の処理装置。
マイクロ波発生源から供給されるマイクロ波によって被処理基体にプラズマ処理を施す処理装置であって、
前記マイクロ波発生源から供給される前記マイクロ波を処理室内に透過させると共に前記処理室の隔壁として機能する誘電体窓と、
前記誘電体窓と前記処理室との隙間を封止する封止部と、
前記誘電体窓は、マイクロ波表面波から前記封止部を保護する保護手段を有することを特徴とする処理装置。
マイクロ波発生源から供給されるマイクロ波によって被処理基体にプラズマ処理を施す処理装置であって、
前記マイクロ波発生源から供給される前記マイクロ波を処理室内に透過すると共に前記処理室の隔壁として機能する誘電体窓と、
前記誘電体窓と前記処理室との隙間を封止する封止部とを有し、
前記誘電体窓は、前記被処理基体に対向する側に段差を有し、
該段差は、前記マイクロ波の前記誘電体窓内の波長の１／８以上の高さを有し、前記マイクロ波を透過する部分よりも前記封止部によって封止される部分の方が厚くなるように形成されることを特徴とする処理装置。