JP2006128000A - プラズマ処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】従来技術の問題点を解決した大面積を均一に処理できるプラズマ処理装置を提供する。
【解決手段】複数の導波管４の複数のスロット５から放射された電磁波を、梁１１に支持された複数の誘電体窓６を通して処理容器７内に放射し、プラズマを生成し、このプラズマにより前記被処理基板の処理を行うプラズマ処理装置である。この梁１１の処理容器７側に誘電体板１２が取り付けられており、前記誘電体板１２の厚さが電磁波の誘電体内波長の１／２以上であること特徴とする。このプラズマ処理装置を用いることにより、大面積を均一に処理することが可能となる。
【選択図】 図２

Description

本発明は、例えば、薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）や金属酸化物半導体素子（ＭＯＳ素子）のような半導体素子、半導体集積回路装置のような半導体装置、或いは、液晶表示装置のような表示装置の製造プロセスに適用されるプラズマ処理装置に関する。

従来、半導体装置や液晶表示装置等の製造プロセスにおいて、膜堆積、表面改質、あるいは、エッチング等のプラズマ処理を施すためには、平行平板型の高周波プラズマ処理装置や、電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ：Electron Cyclotron Resonance）プラズマ処理装置等が用いられている。

プラズマの励振に高周波を用いる場合、アンテナにより高周波を放射させ、その高周波の電磁界により電子を加速し、プラズマを維持している。アンテナ周辺の電磁界には、周波数ｆに対して、ｆ^−１，ｆ^−２，ｆ^−３に比例して減少する放射波，誘導電界，静電界の３つの電磁界成分が含まれる。プラズマを励振させる周波数が高くなるにつれて、静電界より誘導電界が支配的になり、より周波数の高いマイクロ波帯では、放射波が支配的となる。アンテナ周辺の電磁界のこのような周波数依存により、ＨＦ帯からＶＨＦ帯でプラズマの励振を行う場合は、静電結合（容量結合）型の平行平板構造の装置が用いられている。一方、マイクロ波の場合、アンテナから放射される電磁波により、プラズマの励振を行なう構造の装置が用いられている。

しかしながら、平行平板型プラズマ処理装置は、プラズマ密度が低く、電子温度が高いという問題がある。また、ＥＣＲプラズマ処理装置は、プラズマ励起に直流磁場が必要であるため、装置が複雑化・大型化し大口径半導体基板の処理が困難であるという問題がある。

このような問題に対して、プラズマ励起に磁場が不要であり、高密度でかつ電子温度が低いプラズマを生成することが可能なマイクロ波プラズマ処理装置が提案されており（例えば特許文献１参照）、この場合、電磁波は誘電体窓を通してプラズマ処理が行われる反応室内に放射される。誘電体窓は、マイクロ波を透過すると共に、Ｏリング等により反応室内の真空を維持し、さらに処理プラズマに曝されているのが一般的である。従って誘電体窓は、良好なマイクロ波導入特性と、大気圧を支えていることによる機械的応力やプラズマからの熱による熱応力に対する機械的及び熱的耐性と、プラズマ処理やクリーニングで使用される例えばフッ素系のガスを原料とするプラズマに対する耐腐食性とを有する材料が必要とされる。このような特性を有する誘電体窓を製作するために、多くの提案がなされている。

例えば、良好なマイクロ波導入特性、即ちプラズマの安定放電を目的として、入射と反射の干渉効果を利用した誘電体窓材の厚さをマイクロ波の半波長のｎ／２倍やｎ倍（ｎは整数）にすることが提案されている（例えば特許文献２，３参照）。さらに機械的応力、熱応力の耐性を目的として、その板厚を極めて厚くする方法や、部分的に設けられた孔部分にのみ誘電体窓を設ける方法（例えば特許文献４参照）が使用されている。また誘電体窓材を耐熱性及びフッ素系ガス使用時の耐腐食性向上を目的として窒化アルミニュウム（ＡｌＮ）やＡｌ_２Ｏ_３等のセラミックス部材や、それを被着させた部材で構成する試み（例えば特許文献５，６、７，８参照）もなされている。

近年、マイクロ波プラズマ処理装置を更なる大口径半導体基板やＬＣＤ等の大面積基板処理に使用出来ないか検討されている。しかし更なる大面積化においては、誘電体窓材の機械的及び熱的強度の更なる向上が必要とされるため、処理容器の誘電体窓を取り付ける蓋部に金属製の梁を設け、誘電体窓を分割することで、この問題を回避することが提案されている（例えば特許文献９，１０，１１参照）。

また大面積プラズマの発生方法としては、複数のマイクロ波導波路を用いる方法（例えば特許文献１２，１３参照）や、大口径化に対応しながら装置寸法の小型化を実現するため、マイクロ波導入部を、スロットを有する環状構造とする方法（例えば特許文献１４参照）が提案されている。
特開平７−１４２１９４号公報 特開平１０−２５５９９９号公報 特開平１０−１９９６９８号公報 特開平７−２７２８９７号公報 特開平９−９５７７２号公報 特開平１０−２７５５２４号公報 特開平８−２７９４９０号公報 特開平９−１０２４８８号公報 特開平８−２５０４７７号公報 特開平８−２７４０６５号公報 特開平１０−９２７９７号公報 特開平８−３１６１９８号公報 特開平８−３１５９３号公報 特開平１１−１２１１９６号公報

電磁波、例えばマイクロ波を使用したプラズマ処理装置において、特許文献９，１０，１１に示すような、大面積を目的として蓋部に設けられた金属製の梁にて誘電体窓材を支持する方法は、この放射されたマイクロ波が誘電体窓を通して処理容器内に放射される際に、金属製の梁の部分は導体が露出していることとなるため、マイクロ波が遮断され、その梁の部分にはプラズマが発生せずプラズマの均一性を著しく悪化させる結果となる。これによりこのプラズマを用いて処理された被処理基板たる半導体基板もしくはＬＣＤ用の大型基板の処理の均一性、例えばＣＶＤ法（Chemical Vapor deposition；化学的気相成長法）では堆積膜の膜厚や膜質の均一性の悪化、エッチング法ではエッチング均一性の悪化等を招くこととなる。

本発明の目的は、上記の課題を解決し、大面積のプラズマを均一に生成することができるプラズマ処理装置を提供することにある。

かくして本発明の一態様に係わるプラズマ処理装置は、内部に被処理基板を設置可能な処理容器と、電磁波を出力する電磁波源と、前記電磁波を伝播する複数の導波管と、この各導波管に設けられ、前記電磁波を放射する導波管アンテナを構成する複数のスロットと、前記各導波管に設けられたスロットに対応し、前記処理容器の一面に封止面として設けられた誘電体からなる複数の誘電体窓とを具備し、前記スロットから前記誘電体窓を通して前記処理容器内に放射された電磁波によってプラズマを生成し、このプラズマにより前記被処理基板の処理を行うプラズマ処理装置であって、前記処理容器の前記複数の前記誘電体窓の内面に誘電体板を設け、この誘電体板の前記電磁波が透過する方向の厚さが、電磁波の誘電体内波長の１／２以上であること特徴とする。

前記誘電体板の厚さは、好ましくは、「Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ Ｏｐｔｉｃｓ（Ａｃａｃｅｍｉｃ Ｐｒ）」の１６５頁に記載の下記式（１）から誘導される下記式（２）で表される。

2π・ｈ・（ε_ｄ−sin²α）^０．５／λ＝ｍ・π （１）
ｈ＝（m・π・λ）／（2π・（ε_ｄ）^０．５・cosβ） （２）
ここでｈ：誘電体板の厚さ ｍ：1以上の整数 λ：前記電磁波の真空中の波長
ε_ｄ：誘電体板の比誘電率 α：前記電磁波の誘電体板への入射する際の入射角
β：前記電磁波の誘電体板への入射する際の屈折角
本発明の更に他の態様に係わるプラズマ処理装置は、電磁波源から複数の導波管に分配され、各導波管に設けられたスロットアンテナに対応して処理容器の封止面を構成して設けられた誘電体窓を備えてなるプラズマ処理装置であって、前記誘電体窓の内面に設けられた複数の誘電体板と、この誘電体板の内壁面に表面波プラズマを発生させる手段とを具備し、前記誘電体板の厚さを、この誘電体板内を前記電磁波が伝播する厚さ以上にしたことを特徴とする。

本発明の更に他の態様に係わるプラズマ処理装置は、内部に被処理基板を設置可能な処理容器と、電磁波を出力する電磁波源と、前記電磁波を伝播する複数の導波管と、この各導波管に設けられ、前記電磁波を放射する導波管アンテナを構成する複数のスロットと、前記各導波管に設けられたスロットに対応し、前記処理容器の一面に封止面として設けられた誘電体からなる複数の誘電体窓とを具備し、前記スロットから前記誘電体窓を通して前記処理容器内に放射された電磁波によってプラズマを生成し、このプラズマにより前記被処理基板の処理を行うプラズマ処理装置であって、前記処理容器の前記複数の前記誘電体窓の内面に誘電体板を設け、この誘電体板が、誘電体内波長の１／２以上の間隔で互いに配置され少なくとも一部が導体からなる複数の固定具により、前記梁に固定されていることを特徴とする。

前記固定具は、好ましくは前記誘電体内波長の１／２のｎ倍（ｎは１以上の整数）の間隔で配置されている。

この発明によれば、大面積のプラズマを均一に生成することができるプラズマ処理装置を提供することが可能になる。

以下、本発明装置の実施の形態を図１乃至図１１を参照して説明する。各図面の同一部分には同一符号を付与して説明する。図１にはプラズマ処理装置１の斜視図を示す。プラズマ処理装置１は電磁波源として例えばマイクロ波発振器２は、周波数例えば２．４５ＧＨｚ、最大出力１２ｋＷの装置である。このマイクロ波発振器２に複数の導波管に均一にマクロ波を分配するための例えば直線状分配導波管３が接続されている。

この分配導波管３には複数の導波管４が直交して接続されている。分配導波管３は電磁波源で発振された電磁波を複数の導波管４に分配する。各導波管４の下面には複数開口されたスロット５（図１には図示せず）が、複数の導波管４に分配された電磁波のアンテナとして設けられている。

各導波管４のスロット５から放射される電磁波が処理容器７内に放射されるように処理容器７の一面、例えば上壁面がマイクロ波回路として処理容器７が結合されている。即ち、処理容器７上壁面には、電磁波が通過し、処理容器７の容器壁例えば上壁面として封止される誘電体窓６が複数設けられている。誘電体窓６は、厚さを薄くするために複数枚からなっている。各誘電体窓６は、各導波管４から伝播された電磁波例えばマイクロ波を通過させるためのもので金属製の梁１１例えばアルミニュウム製梁により一体に支持されて、処理容器７の封止面を形成している。

この封止面を構成する誘電体窓６と梁１１の内面には、誘電体板１２例えば複数枚の石英ガラス板が設けられている。各誘電体板１２は、固定具例えば誘電体板固定ネジ１３により梁１１に固定されている。誘電体板１２は、処理容器７内に均一にプラズマを発生させるために設けられる。この実施形態では、２本の導波管４に対応して一枚の誘電体窓６が設けられている。導波管４の長手方向に平行に一枚の長方形状の誘電体窓６が設けられている。

各導波管４に設けられているスロット５の配列状態は、例えば図２（ｃ）に示されているように一松模様に配列され、隣り合う導波管４に設けられているスロット５から放射されるマイクロ波の位相が逆相になるようにスロット５が配列されている。誘電体で形成された誘電体窓６、例えば石英窓を通して処理容器７内に電磁波８が放射される。

図２（ａ）には導波管４と、スロット５と、誘電体窓６と、誘電体板１２との位置関係を説明するための断面図が示されている。図２（ｂ）は、図２（ａ）の誘電体板１２側から見た場合の平面図である。図２では、例えば複数の導波管４として１０本の導波管４を使用した場合を示す。１０本の導波管４は、１本の導波管４を１０本並べて配列したもの、図２（ａ）に示すように１枚の金属板に１０本の導波管に相当する導波路を穿設加工して構成してもよい。

各導波管４の下面にはスロット５が設けられ、各スロットを介して空洞部９に電磁波が放射される。ここに空洞部を設けるのは、開口面積が少ないスロット５の部分から大面積の誘電体窓６に空洞部９を介さず直接放射すると、誘電体窓６の表面での電磁波の整合が取りにくくなり、電磁波の反射率が非常に高くなるため、空洞部９を設け、スムーズな電磁波の導入を実現するためである。

放射された電磁波は、空洞部９の下部には誘電体窓６が梁１１により支持されている。処理容器７と誘電体窓６との間で真空保持するために梁１１にはＯリング１０の溝を有し、この溝にＯリング１０を入れ、Ｏリング面が誘電体窓６と気密に接する構造となっている。

誘電体板固定ネジ１３は誘電体板１２を、梁１１の下面に設けられたネジ取り付け穴に、例えば一定の間隔ｐで誘電体板１２を挟み込む構造で固定する。誘電体板固定ネジ１３は金属ネジであり、例えば材質をアルミニュウム、アルミニュウム合金、ステンレス、ニッケル合金、又はチタン等で作成されたものである。誘電体板固定ネジ１３のネジ頭部分はプラズマに直接接するため、例えばフッ素系の腐食性ガスプラズマや酸素系の酸化ガスプラズマからの腐食や酸化防止のため、誘電体、例えばアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）等のコーティングが施されている。コーティングはプラズマ溶射法、陽極酸化法、又はスパッタ法等により行われる。以上で示した導波管４から誘電体窓６，誘電体板１２及び誘電体板固定ネジ１３までを電磁波導入部２１という。

図３は電磁波導入部２１と、プラズマ２２と、プラズマにより処理をするための処理容器７と、被処理基板２４等の位置関係を示す断面図である。電磁波導入部２１内の構造は図２に示されている。電磁波導入部２１は処理容器７の上面に設置される。

電磁波導入部２１は、処理容器７の上蓋を加工して構成してもよく、その場合、電磁波導入部２１には、開閉機構が接続され、例えばメンテナンス時には電磁波導入部２１を開き、処理容器７内部および電磁波導入部２１の部品交換、洗浄等が出来るようにしてもよい。処理容器７は、真空排気ポンプ（図示せず）により真空、もしくは真空に近い低圧状態に保持される。

電磁波導入部２１に対向する処理容器７内には被処理基板２４を載置する試料台２３と、被処理基板２４を処理容器７に真空下で搬入及び搬出する試料台２３上下機構（図示せず）とを有する。このようなプラズマ処理装置１により、被処理基板２４として、シリコン膜表面に酸化膜を形成する場合、誘電体板１２と上記シリコン膜との間の距離を例えば１５ｃｍでプラズマ酸化を行った。上記被処理基板２４の大きさは、例えば１ｍｘ８５ｃｍ角の角型基板のシリコン膜表面に３．１±０．４ｎｍ（１３％）という均一な酸化膜の膜厚分布を得ることができた。

処理容器７で誘電体板１２の近傍には、プラズマ発生用第１の処理ガスを供給するための第１及び成膜、酸化、窒化、エッチング、アッシングなどの処理を行うための第２の処理ガスを供給するための第２のガス供給管が設けられている。被処理基板搬送機構にて外部から被処理基板２４が搬入されたのち、真空排気ポンプにて処理容器７が真空もしくは低圧状態にされ、試料台２３の上に載置された後、処理容器７内に第１および第２のガス供給管から処理ガスが導入される。図３には、プラズマでの酸化処理を行う第１の処理ガスとして酸素と、第２の処理ガスとしてＡｒとが、例えばマスフローコントローラ及びガスバルブにより構成されているガス導入システムにより処理容器７の側面に設けた第１及び第２のガス供給管から導入される。第１及び第２のガス供給管から処理容器７内に吹き出される方向は、処理容器７の管軸方向である。

上記第１の処理ガスは、シリコン薄膜の表面に酸化膜形成するプロセスや二酸化シリコン膜を成膜するプロセスの場合、プラズマを発生するためのガスが選択される。第１の処理ガスは酸素に限定されず、例えばＣＯ_２、Ｏ_３，Ｈ_２Ｏ等の酸素原子を含んで構成されているガスでもよい。

上記第２の処理ガスは、処理するためのガスで処理膜により異なる。第２の処理ガスもＡｒに限定されず、例えば希ガスのＨｅ，Ｎｅ，Ｋｒ，Ｘｅ等が使用できる。また処理が酸化処理ではなくＣＶＤ法により二酸化シリコン膜の成膜処理の場合には、Ａｒ等の希ガスに代わって、もしくはＡｒ等の希ガスに追加して、例えばＴＥＯＳ（Tetraethyl orthosilicate）等の有機シリコン化合物を使用することによりシリコン酸化膜の膜形成を行うことが出来る。

図３で示した処理ガス供給法の他の実施例は図４に示すようなガスリングを使用することである。図４（ａ）は、ＴＥＯＳの導入にガスリング２５を使用した場合の処理容器７と、被処理基板２４等の位置関係を示す断面図である。図４（ｂ）は、ガスリング２５のみを被処理基板２４側から見た図である。ガスリング２５は、大きな四角形状のリングで、被処理基板２４と同程度、もしくはそれ以上の大きさを有している。ガスリング２５には、ＴＥＯＳガスのガス流２７を被処理基板２４方向に導入する為、多数のガス導入孔２６が設けられている。ガス導入孔２６から導入されたガス流２７を被処理基板２４に均一性良く到達させるため、ガス導入孔２６は斜め下方方向（被処理基板２４方向）に開口されている。図４の実施例は、マイクロ波リモートプラズマ装置である。この装置は、導波管４から伝送されたマイクロ波は、第１のガス供給管から供給された処理ガスを分解し、プラズマを発生させる。このプラズマは、ある電子密度に達するとプラズマの表面に沿って表面波が伝わる。この結果、誘電体板１２の内壁面上には、表面波プラズマが形成される。誘電体板１２には、電磁波が伝播されるため、誘電体板１２の全面に均一に表面波プラズマが発生する。この表面波プラズマにより発生したイオンやラジカルは、第２のガス供給管から供給された処理ガスを励起して分解し、ラジカルやイオンを生成する。励起された処理ガスのイオンやラジカルは、被処理基板２４の表面を処理する。この処理は、被処理基板２４の表面に酸化膜、窒化膜を形成したり、表面をエッチングしたり、アッシングしたりするなどの処理を行う。

例えばプラズマ２２による酸素及びＡｒのイオン・ラジカルは拡散により被処理基板２４に到達し、被処理基板２４表面のＴＥＯＳと反応し、二酸化シリコン膜の成膜が行われる。

ガス導入システムによる処理ガス導入と真空排気ポンプによる排気のバランスを調整し、所望の圧力に保持する。電磁波源である例えばマイクロ波発振器２を発振させ、電磁波導入部２１から、処理容器７内に電磁波を放射する。それにより処理ガスが電磁波エネルギにより、解離、イオン化を起こしプラズマ２２を発生させる。発生したプラズマ２２中の電子密度が高くなると表面波プラズマが発生する。この表面波プラズマは、誘電体板１２の表面に全面に生ずる。発生した表面波プラズマ中の活性化されたイオンは、第２の処理ガスを励起する。励起されたイオンあるいは活性なラジカルにより被処理基板２４は処理される。表面波プラズマによる処理は、成膜速度が速く、低損傷処理の特徴がある。

第１の実施の形態
電磁波導入部２１でのプラズマ２２の状態を詳査した結果、次の通りであった。図５には図２（ａ）の電磁波導入部２１の一つの誘電体窓６の部分を拡大した断面図が示されている。スロット５から放射された電磁波は、空洞部９を介して、梁１１に支持された誘電体窓６に入射され、誘電体窓６を通過した電磁波は処理容器７内に放射される。しかし、誘電体窓６の直下には電磁波が放射されるが、梁１１の直下部分では、金属製の梁１１の部分は導体が露出しているため、電磁波が放射されずプラズマ２２はこの部分で途切れてしまう。その結果、プラズマの均一性が悪化する。

プラズマ２２の均一性を改善させるため、各梁１１の部分に誘電体板１２を設置させることで誘電体板１２とプラズマ２２との境界で表面波を伝播させ、プラズマ２２を拡げる試みを行った。

誘電体板１２とプラズマ２２との境界で伝播する表面波を発生させるためには、例えば「マイクロ波プラズマの技術（オーム社）」６１頁〜７０頁に記載されているように、下記式に示す表面波プラズマ条件を満たす高密度なプラズマ２２を発生させなければならない。

Ｎ_ｅ＝（ε_ｄ＋１）^０．５・（ｍ_ｅ・ε_０・ω^２／ｅ^２）
ε_ｄ：誘電体板の比誘電率 ｍ_ｅ：電子の質量 ε_０：真空の誘電率
ω：プラズマ励振電磁波の周波数 ｅ：電子の電荷量
この式は、表面波プラズマを形成するために、プラズマを局在化させるカットオフ電子密度（上式第2項）の更に（ε_ｄ＋１）^０．５倍の電子密度を維持する必要があることを示している。

しかし、プラズマ酸化処理のように酸素を混合したプラズマは高い電子密度を得るために、アルゴンプラズマ等に比較して、２〜３倍の電磁波の入力パワーを必要とするため、ここまでの電子密度を得ることが容易ではない。

そこで、大面積のプラズマ２２の均一性を改善させるため、各梁１１の部分に誘電体板１２を設置させることで誘電体板１２内を誘電体板内伝播波３１として伝播させ、プラズマ２２を拡げる試みを行った。誘電体板１２内を伝播する誘電体板内伝播波３１が発生すれば、梁１１の直下部分にも電磁波が伝播する。この結果、電磁波の伝播により誘電体板１２の表面から電磁波３２が処理容器７内に放射させることにより、梁１１の直下部分でもプラズマの発生が可能であることが判った。図５には図２（ａ）の電磁波導入部２１の１つの誘電体窓６の部分のみを記載したものであり、実際にはこれが連続しており、隣接する電磁波導入部２１からも誘電体板１２内を伝播波３１が伝播しており、全体として大面積で、梁１１直下部分でも途切れのない均一なプラズマが生成される。

この条件を満足する誘電体板１２の厚さｈは、電磁波の誘電体内波長の１／２以上にすることである。この結果、Ｅ面が誘電体板１２の厚さと平行な伝播モードも遮断波長とならず、誘電体板１２内を伝播できる。

更に、梁１１の部分のプラズマ周波数が電磁波の周波数と等しくなるとプラズマが見かけ上「導体」となり、図５にあるように、梁１１の部分とプラズマとの間を誘電体板内伝播波３１として多重反射しながら、電磁波が更に拡がるようになる。誘電体板１２内に電磁波が伝播することは、プラズマ中の電子密度を高くし、表面波プラズマへの移行を容易にし、表面波プラズマを発生させる。これにより、梁１１が存在する構成においても、均一なプラズマを形成することが可能となる。

誘電体板１２の厚さｈをいろいろと変えて、この誘電体板１２内を誘電体板内伝播波３１が伝播し電磁波が拡がり均一なプラズマの発生との関係を詳査した。その結果は図６に示す通りであった。図６（ａ）は、誘電体板１２の厚さｈが左から３ｍｍ、５ｍｍ、７．５ｍｍ、１０ｍｍと、それぞれ厚さの異なる誘電体板１２を取り付け、この構成でプラズマ２２の発光分布を測定した。

この測定方法を図７に示す。図７に示すように、図３に示すプラズマ処理装置１から試料台２３を取り外し、開口部を有するフランジ３３と、開口部にＯリングを介して固定された石英窓３４と、石英窓３４を介して下からプラズマ２２の発光の状態を観察するＣＣＤカメラ３５とを設け、ＣＣＤカメラ３５でプラズマ２２の発光強度分布を調べた。

その結果、図６（ａ）に示すように梁１１の下に発生したプラズマ２２の発光強度は弱くプラズマ２２の暗部を形成しているが、誘電体窓６の下に発生したプラズマ２２の発光強度は強く、プラズマ２２の明部を形成している。このプラズマ２２の発光強度の違いはプラズマ密度に対応するものと考えられる。同一プラズマ処理装置１にて、処理ガスとしてＴＥＯＳと酸素を用いて、シリコン酸化膜の形成を試み、形成された膜の膜厚分布を測定した。

この結果、ほぼ図６（ａ）に示すようなプラズマ発光強度分布に対応した膜厚分布であった。すなわちプラズマ明部に対応する部分は膜厚が厚く、プラズマ暗部に対応する部分は膜厚が薄く、膜厚均一性が非常に悪いものであった。誘電体板１２の板厚を順次増加させ総ての誘電体板１２の板厚を３０ｍｍにした場合のプラズマ発光分布を観測した結果を図６（ｂ）に示す。図６（ｂ）は、図６（ａ）とは異なり、全体が均一に明るいプラズマ明部を有している。

上記で述べたのと同じように同一プラズマ処理装置１にて、処理ガスとしてＴＥＯＳと酸素を用いて、二酸化シリコン膜を成膜した。形成された二酸化シリコン膜の膜厚分布を測定したが、ほぼ図６（ｂ）に示すようなプラズマ発光強度分布に対応し、均一性がよい膜厚分布を得ることに成功した。

これは図６に示すように、誘電体板１２としての石英の板厚を、この石英内を伝播する２．４５ＧＨzのマイクロ波の波長の１／２である３０ｍｍにすることで、プラズマ２２の拡がりが大きく改善されている。すなわち誘電体板１２の厚さｈを、この誘電体板１２内を伝播する電磁波の波長（石英の場合、比誘電率は３．８〜４．０であり誘電体内波長は６０ｍｍ程度である）の１／２以上にすることにより、Ｅ面が誘電体板１２の厚さと平行な伝播モードも遮断波長とならず、誘電体板１２内を伝播できるようになったためと考えられる。

同じように誘電体板１２として、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）板を使用した場合、均一性の改善は２０ｍｍ以上の板厚のアルミナを使用した場合であった。アルミナの比誘電率は８．５〜９．６程度であり、その場合の２．４５ＧＨｚのマイクロ波の誘電体板内波長は４０ｍｍであることによるものと考えられる。例えば、被処理基板のシリコン膜のプラズマ酸化を行った結果、酸化膜厚分布はプラズマ発光分布に応じて発生した。これらの結果からプラズマ発光分布と誘電体板１２から放射される電磁波の電界分布との間には、相関があることが判った。

第２の実施の形態
第１の実施の形態で示した誘電体板１２である石英の板厚を順次増加させ５４〜６０ｍｍ以上にした場合、プラズマ発光強度分布の均一性の更なる向上が観測された。又同一プラズマ処理装置１にて成膜した二酸化シリコン膜の膜厚分布の均一性も測定した。具体的な実施結果を図８に示す。図８は、誘電体板１２を石英、又はアルミナとした場合のそれぞれの板厚を順次増加させ、同一条件にて二酸化シリコン膜を成膜し、その膜厚分布の均一性を縦軸に、石英、もしくはアルミナの板厚を横軸にプロットしたものである。

まず誘電体板１２を石英とした場合（白丸）の結果を説明する。上記のように板厚を３０ｍｍにした場合に均一性±１３％の良好な値を得ることが出来た。さらに石英板厚の厚いものに順次変えた場合、一度均一性は悪化するものの、再度均一性の改善が見られ、４８ｍｍ（石英内伝播波長のほぼ４／５）の時に、石英板厚３０ｍｍと同じ均一性±１３％を得た。さらに厚くし、グラフ上の石英板厚５４ｍｍのところでは±１０％を切る非常に良好な膜厚均一性を得ることととなる。５４〜６０ｍｍまで更に均一性の値は低下を続けている。この板厚５４〜６０ｍｍは、ほぼ石英内の電磁波の波長に相当する。これは、第１の実施の形態で示した電磁波の波長の１／２の場合の発光強度分布及び均一性をも上回る改善を見せたのである。

同じように誘電体板１２として、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）板を使用した場合（黒丸）、アルミナ板厚を順次増加させた場合、２０ｍｍのところで良好な均一性±１３％を得ることが出来た。さらにアルミナ板厚の厚いものに順次変えた場合、石英の時と同じように一度均一性は悪化するものの、再度均一性の改善が見られ、３２ｍｍ（アルミナ内の電磁波の波長のほぼ４／５）の時に、アルミナ板厚２０ｍｍと同じ均一性±１３％を得た。さらに厚くし、グラフ上のアルミナ板厚４０ｍｍのところでは±１０％を切る非常に良好な膜厚均一性を得ることととなる。この板厚４０ｍｍは、ほぼアルミナ内の電磁波の波長に相当する。石英の場合（白丸）と同じく、これは、第１の実施の形態で示した電磁波の波長の１／２の場合の膜厚均一性をも上回る改善を見せたのである。アルミナ板厚４０ｍｍ以上とした場合のプラズマ発光強度分布の均一性も測定したが板厚２０ｍｍの場合を上回る均一な発光強度分布向上が観測された。

以上の現象を、図９を用いて説明する。図９（ａ）は、誘電体内の電磁波の波長及び進行方向を判りやすく説明するための電磁波の模式図である。例えば図９（ａ）は左から右に進行する電磁波で、その誘電体内波長の１周期に相当する長さと位相を有することを示すものである。図９（ｂ）は、誘電体板１２の板厚ｈが誘電体内波長λ／２・（εd)^０．５の１／２とした場合である。まず図９（ｂ）に示すように、誘電体板１２の板厚を電磁波の波長の１／２にすると、誘電体板１２内を電磁波が伝播するが、その板厚は伝播する条件の最低板厚であり、即ちカットオフ波長付近であるため、誘電体板１２内を多重に反射しながら伝播し、それにより電磁波の伝播損失が大きくなり、横に十分に広がる前に減衰してしまうと考えられる。

これに対し、誘電体板１２の板厚を誘電体内の電磁波の波長の１／２を越えて厚くする場合を考える。誘電体内波長の４／５以上、更に誘電体内波長と同程度以上とすると、カットオフ波長より十分に長くなり、多重反射による伝播損失が減少し、横方向に十分に伝播するため、更なるプラズマの均一性、及びそれによる膜厚均一性が得られたものと考えられる。

以上より誘電体板１２の板厚ｈが誘電体内波長の４／５以上の場合（石英の場合には板厚４８ｍｍ以上、アルミナの場合には板厚３２ｍｍ以上）、さらに板厚ｈが誘電体内波長以上の場合（石英の場合には板厚５４〜６０ｍｍ以上、アルミナの場合には板厚４０ｍｍ以上）が更に良好な均一性を得る条件である。

ここでは誘電体板１２の材料として石英、アルミナの場合を記載したが、誘電体板１２はこれに限定されるものではなく、他の誘電体材料でもよい。例えば、更に誘電率が低いＬｏｗｋ材料でも良く、具体的にはポーラス状（多孔質状）の材料を使用することも可能である。誘電体板１２は、その部分で真空封止しているものではないため、気密性を必要とはしない。また、ポーラス状のＬｏｗｋ材料は、軽量であり、梁１１で支える為に、また装置全体の軽量化のために有効な材料である。

第３の実施の形態
第３の実施の形態として、誘電体板１２内を伝搬する電磁波の波長の１／２以上の厚さの誘電体板１２を取着することで良好な均一性を有するプラズマ発生の条件について調べた。図１０は、誘電体板１２の板厚ｈを横軸に、電磁波入射角α（図５参照）を縦軸とした場合の誘電体窓６（この場合誘電体窓６は石英）から誘電体板１２（この場合誘電体板１２は石英板）へ入射される電磁波透過率を等高線で示したものである。

この電磁波透過率が１に近いことは、誘電体窓６と誘電体板１２との界面で反射が殆ど起こらず、誘電体板１２内を良好に電磁波の伝播が行われることを示すものである。誘電体板１２内を伝播する電磁波の波長の１／２のｍ倍（ｍは１以上の整数）の厚さの誘電体板１２では、全電磁波入射角αで良好な（１に近い）強度透過率を示す。

電磁波の誘電体板１２へ入射する際の屈折角をβとした場合、良好なプラズマ均一性は、図１の誘電体板の厚さｈが下記式を満たす板厚となる場合である。
ｈ＝（m・π・λ）／（2π・（ε_ｄ）^０．５・cosβ）
ここでｈ：誘電体厚さ ｍ：1以上の整数 ε_ｄ：誘電体板の誘電率
β：入射電磁波の屈折角
これにより、誘電体板１２の厚さは、用いるアンテナの放射特性（電磁波の放射角）において、多重反射による電磁波の強度透過率が１となる条件（図６）を満たすことになり、多重反射における反射波の影響を最小にし、効率よく電磁波を処理容器７内に放射することが可能となる。

第４の実施の形態
第４の実施の形態は、Ｙ軸方向の均一性の改善を目的とするものである。図２にあるように、誘電体板１２を固定している導体の誘電体板固定ネジ１３のピッチｐを誘電体板１２内を伝播する電磁波の波長の１／２のｎ倍（ｎは１以上の整数）にすることにより、上記固定ネジ１３が誘電体板１２内を伝播してきた電磁波を放射するアンテナの役割をすることになり、プラズマ２２の均一性を更に向上させることが可能となる。図１１は、図２の誘電体板固定ネジ１３により誘電体板１２が梁１１に取り付けられた状態を示す平面図（図１１（ａ））と断面図（図１１（ｂ））を示す。

誘電体板固定ネジ１３は、誘電体板１２を機械的に梁１１に固定するため、そのネジ基体１３ｂは金属等の導体で構成されており、ネジ頭部１３ａはプラズマに直接曝されるため耐腐食性、耐酸化性のためにアルミナ等のセラミックスのコーティング処理が施されている。誘電体板１２の固定は、誘電体板１２を貫通し、ネジ頭部１３ａと梁１１に挟み込む形を採ることにより固定するものである。従って、誘電体板１２内を伝播してきた電磁波は、導体のネジ基体１３ｂをアンテナとして処理容器７へ電磁波を放射することとなる。また、ピッチｐを誘電体板１２内を伝播する電磁波の波長の１／２以上とすることで、固定ネジ１３間の干渉によるサイドローブの発生を防ぐことができる。

上記ネジ１３のピッチｐを誘電体板１２内を伝播する電磁波の波長の１／２以上にし、又は１／２のｎ倍にする配置はプラズマ２２のＹ軸方向の均一性改善に有効である。また上記第１、第２及び第３の実施の形態による上記ネジ１３のピッチは、プラズマ２２のＸ軸方向の均一性改善効果に、さらにこの第４の実施の形態の上記ネジ１３のピッチｐを取り入れることにより、Ｘ軸方向及びＹ軸方向の両方に対し均一性を改善することができる。

このように構成した電磁波導入部２１を備えたプラズマ処理装置１により例えば次のような実施例により均一なプラズマ発光分布を得ることができた。即ち、第１の処理ガスとしてアルゴン(Ａｒ)と酸素（Ｏ_２）の混合ガス（Ｏ_２／（Ａｒ＋Ｏ_２）＝１％）、処理容器７内のガス圧７．７Ｐａ、電磁波源２のマイクロ波出力電力１２ｋＷの条件で、図６（ｂ）に示すような均一なプラズマ分布を得ることができた。

このプラズマ中の電子密度が高くなると表面波プラズマが発生する。この表面波プラズマ中の励起されたイオンは処理ガスを励起する。励起されたイオンあるいは活性ラジカルにより、被処理基板２４のシリコン膜表面に酸化膜を形成する。即ち、アルゴン(Ａｒ)と酸素（Ｏ_２）の混合ガスによるプラズマによりプラズマ酸化を行いプラズマ酸化膜がシリコン膜表面に形成される。この結果、１ｅＶ以下の低電子温度、４ｘ１０^１０ｃｍ^２・ｅＶ^−１の良好な界面準位密度が得られる。この様な低温酸化膜法は、低閾値電圧のゲート酸化膜のＴＦＴを可能にする。

以上記述したように本発明に係るプラズマ処理装置を用いることにより、従来の課題を解決し、大面積の被処理基板を均一に処理することができるプラズマ処理装置を提供することが出来る。さらに、上記実施形態では、誘電体板１２内に電磁波を伝播させることにより表面波プラズマへの移行を容易にした例について説明したが、表面波プラズマに限らず、プラズマ中の電子密度が比較的低いプラズマでも広範囲にプラズマを発生させることができる。

本発明を説明するためのプラズマ処理装置の斜視図である。 （ａ）は、本願発明の電流導入部の断面図であり、（ｂ）は、電流導入部を下から見た図である。 電磁波導入部と、プラズマと、被処理基板と、処理容器との位置関係を示す断面図である。 電磁波導入部と、プラズマと、ガスリングと、被処理基板と、処理容器との位置関係を示す断面図である。 本願発明の電流導入部での電磁波の伝播を示す図である。 （ａ）は、誘電体板の厚さを３〜１０ｍｍにした場合のプラズマの発光状況を示す図であり、（ｂ）は誘電体板の厚さを３０ｍｍにした場合のプラズマの発光状況を示す図である。 プラズマの発光状況を観測する方法を示す図である。 誘電体板の板厚を変えた場合の二酸化シリコン膜の膜厚均一性を示す図である。 （ａ）は、誘電体内の電磁波の波長及び進行方向を説明するための図であり、（ｂ）は誘電体板を伝播する電磁波の多重反射の状態を説明する図である。 電磁波入射角αと誘電体板の厚さｈとを変えた場合の電磁波の強度透過率を示す図である。 誘電体板固定ネジの配置の状況を説明する図である。

符号の説明

１…プラズマ装置、２…マイクロ波発振器、３…分配導波管、４…導波管、５…スロット、６…誘電体窓、７…処理容器、８…放射電磁波、９…空洞部、１０…Ｏリング、１１…梁、１２…誘電体板、１３…誘電体板固定ネジ、２１…電磁波導入部、２２…プラズマ、２３…試料台、２４…被処理基板、２５…ガスリング、３１…誘電体板内伝播波、３２…電磁波、３３…フランジ、３４…石英窓、３５…ＣＣＤカメラ。

Claims (6)

1. 内部に被処理基板が設置される処理容器と、
   電磁波を出力する電磁波源と、
   前記電磁波を伝播する複数の導波管と、
   この各導波管に設けられ、前記電磁波を放射する導波管アンテナを構成する複数のスロットと、
   前記各導波管に設けられたスロットに対応し、前記処理容器の一面に封止面として設けられた誘電体からなる複数の誘電体窓と、を具備し、
   前記スロットから前記誘電体窓を通して前記処理容器内に放射された電磁波によってプラズマを生成し、このプラズマにより前記被処理基板の処理を行うプラズマ処理装置であって、
   前記処理容器の前記複数の前記誘電体窓の内面に誘電体板が設けられ、この誘電体板の前記電磁波が透過する方向の厚さは、電磁波の誘電体板内波長の１／２以上であること特徴とするプラズマ処理装置。
2. 電磁波源から複数の導波管に分配され、各導波管に設けられたスロットアンテナに対応して処理容器の封止面を構成して設けられた誘電体窓を備えてなるプラズマ処理装置であって、
   前記誘電体窓の内面に設けられた複数の誘電体板と、
   この誘電体板の内壁面に表面波プラズマを発生させる手段と、を具備し、
   前記誘電体板の厚さは、この誘電体板内を前記電磁波が伝播する厚さ以上であることを特徴とするプラズマ処理装置。
3. 前記誘電体板の前記電磁波が透過する方向の厚さは下記式を満足する厚さであることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のプラズマ処理装置。
   ｈ＝（m・π・λ）／（2π・（ε_ｄ）^０．５・cosβ）
   ここでｈ：誘電体板の厚さ ｍ：1以上の整数 λ：前記電磁波の真空中の波長
   ε_ｄ：誘電体板の比誘電率 β：前記電磁波の誘電体板への入射する際の屈折角
4. 前記誘電体板が、前記電磁波の前記誘電体内波長の１／２以上の間隔で互いに配置され、少なくとも一部が導体からなる複数の固定具により前記梁に固定されていることを特徴とする請求項１又は２に記載のプラズマ処理装置。
5. 前記固定具は、前記誘電体内波長の１／２のｎ倍（ｎは１以上の整数）の間隔で互いに配置されていることを特徴とする請求項３又は４に記載のプラズマ処理装置。
6. 内部に被処理基板を設置可能な処理容器と、
   電磁波を出力する電磁波源と、
   前記電磁波を伝播する複数の導波管と、
   この各導波管に設けられ、前記電磁波を放射する導波管アンテナを構成する複数のスロットと、
   前記各導波管に設けられたスロットに対応し、前記処理容器の一面に封止面として設けられた誘電体からなる複数の誘電体窓と、を具備し、
   前記スロットから前記誘電体窓を通して前記処理容器内に放射された電磁波によってプラズマを生成し、このプラズマにより前記被処理基板の処理を行うプラズマ処理装置であって、
   前記処理容器の前記複数の前記誘電体窓の内面に誘電体板を設け、この誘電体板が、誘電体内波長の１／２以上の間隔で互いに配置され、少なくとも一部が導体からなる複数の固定具により前記梁に固定されていることを特徴とするプラズマ処理装置。

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