JP2014160557A - プラズマ処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】プラズマの発生位置を制御し得るマイクロ波プラズマ処理装置を提供する。
【解決手段】プラズマ処理装置は、処理空間を画成する処理容器１２、載置台１４、及び、マイクロ波導入用のアンテナ１６を備える。載置台１４は、処理容器１２内に収容される被処理体Ｗを載置するための載置領域を有する。アンテナ１６は、載置台１４の上方に設けられた誘電体窓５０を有する。誘電体窓５０は、処理空間に接する下面領域を有しており、当該下面領域は表面波が伝搬する領域を前記載置領域のエッジの上方の領域に制限するよう環状に構成されている。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、プラズマ処理装置に関するものである。

半導体デバイスといったデバイスの製造では、エッチング、成膜といった種々の処理のためにプラズマ処理装置が用いられている。プラズマ処理装置には、容量結合型のプラズマ処理装置、誘導結合型のプラズマ処理装置といった種々のプラズマ処理装置があるが、マイクロ波をプラズマ源とするプラズマ処理装置が注目されてきている。

マイクロ波をプラズマ源とするプラズマ処理装置としては、下記の特許文献１に記載されたものが知られている。特許文献１に記載されたプラズマ処理装置は、処理空間を画成する処理容器、被処理体を載置するための載置台、及び、マイクロ波導入用のアンテナを備えている。アンテナは、円盤形状の誘電体窓を有しており、当該誘電体窓は処理空間を介して載置台の上方に設けられている。このプラズマ処理装置は、誘電体窓の下面を伝搬する表面波によって処理容器内に供給された処理ガスを励起させて、当該処理容器内においてプラズマを発生させている。

国際公開第２０１１／１２５５２４号

特許文献１に記載されたプラズマ処理装置では、誘電体窓の直下においてプラズマを発生させているが、処理容器内の圧力、処理ガスのガス種等が変更されると、プラズマの発生位置が変動することがある。また、プラズマの発生位置は、プロセス中にも変動することがある。かかる現象は、「モードホップ」と称される現象である。モードホップが発生する要因は次の通りである。即ち、誘電体窓の下面を伝搬する表面波の波長は、誘電体窓の材料及び誘電体窓の下面とプラズマの界面におけるプラズマの電子密度に依存する。したがって、処理容器内の圧力、処理ガスのガス種等が変更されると、プラズマの電子密度が変化して表面波の波長が変動する。その結果、誘電体窓の直下での電界強度分布が変動して、プラズマの発生位置が変動する。このようなモードホップが生じると、被処理体の面内における処理のバラツキが発生し得る。

また、近年、３００ｍｍよりも大きな直径、例えば、４５０ｍｍの直径を有する被処理体を処理可能なプラズマ処理装置の開発が要請されている。より大きな直径を有する被処理体を処理するためのプラズマ処理装置では、必然的に誘電体窓の直径（外径）も大きくなる。誘電体窓の直径が大きくなると、モードホップが生じ得る領域、即ち誘電体窓の下面の面積が大きくなる。その結果、モードホップに起因する被処理体の面内における処理のバラツキはより顕著なものとなる。

したがって、本技術分野においては、プラズマの発生位置を制御し得るプラズマ処理装置が要請されている。

一側面においては、処理ガスのプラズマを発生させて被処理体を処理するプラズマ処理装置が提供される。このプラズマ処理装置は、処理空間を画成する処理容器、載置台、及び、マイクロ波導入用のアンテナを備える。載置台は、処理容器内に収容される被処理体を載置するための載置領域を有する。アンテナは、載置台の上方に設けられた誘電体窓を有する。誘電体窓は、処理空間に接する下面領域を有しており、当該下面領域は表面波が伝搬する領域を前記載置領域のエッジの上方の領域に制限するよう環形状に構成されている。

本願発明者の知見によれば、被処理体の面内の位置による処理のバラツキを低減させるには、被処理体の直上における径方向のプラズマの密度のバラツキを低減させる、即ち略均一にするか、或いは、被処理体の中央直上におけるプラズマ密度よりも被処理体のエッジ直上におけるプラズマの密度を増加させることが必要である。そのためには、誘電体窓の直下では、被処理体のエッジの上方の領域においてプラズマを発生させ、当該プラズマを拡散させることが望ましい。上記一側面に係るプラズマ処理装置では、誘電体窓において処理空間に接する領域が下面領域に制限されており、当該下面領域が環状に構成されて、表面波が伝搬する領域が載置領域のエッジの上方の領域に制限されっている。したがって、誘電体窓直下においてプラズマが発生する領域が、被処理体のエッジの上方の領域に制限され得る。その結果、被処理体の面内の位置による処理のバラツキが低減され得る。

一形態においては、プラズマ処理装置は、載置台と誘電体窓との間の距離を調整するための機構を更に備えていてもよい。この形態によれば、載置台と誘電体窓との間の距離を調整することにより、被処理体直上における径方向のプラズマの密度の分布を調整することが可能である。例えば、被処理体のエッジ直上でのプラズマの密度が被処理体の中央直上でのプラズマの密度より高くなるようなプラズマの密度の分布、或いは、これとは逆のプラズマの密度の分布を形成することが可能となり得る。

一形態においては、誘電体窓の下面領域は、周方向に配列された複数の凹部を有していてもよい。また、一形態においては、アンテナは、誘電体窓に対してマイクロ波を放射するための複数のスロットが形成されたスロット板を含み、複数のスロットは、下面領域の上方において円弧に沿って配列されており、複数の凹部は、鉛直方向において複数のスロットの下方に位置するように設けられている。これら形態によれば、誘電体窓の下面領域の凹部内にプラズマの発生位置を制御することが可能となり得る。

以上説明したように、本発明の実施形態によれば、プラズマの発生位置を制御し得るプラズマ処理装置が提供される。

一実施形態に係るプラズマ処理装置を概略的に示す図である。 図１に示すプラズマ処理装置のアンテナ、ガスシャワー部、及び載置台を拡大して示す断面図である。 誘電体窓の下面領域及びスロットを、下方から見て示す平面図である。 シミュレーション１において模擬したプラズマ処理装置を概略的に示す図である。 シミュレーション５〜１０の設定を説明するための平面図であり、誘電体窓の下面領域及びスロットを、下方から見て示す平面図である。 シミュレーション５〜１０において求めた電界強度分布を示すグラフである。 シミュレーション１１において設定した系を説明する図である。 シミュレーション１１により求めた結果を示すグラフである。 別の実施形態に係るプラズマ処理装置を説明する図である。 更に別の実施形態のプラズマ処理装置における誘電体窓の下面領域及びスロットを、下方から見て示す平面図である。

以下、図面を参照して種々の実施形態について詳細に説明する。なお、各図面において同一又は相当の部分に対しては同一の符号を附すこととする。

まず、一実施形態に係るプラズマ処理装置について説明する。図１は、一実施形態に係るプラズマ処理装置を概略的に示す図である。図１には、プラズマ処理装置１０の断面構造が概略的に示されている。また、図２は、図１に示すプラズマ処理装置のアンテナ、ガスシャワー部、及び載置台を拡大して示す断面図である。図１及び図２に示すように、プラズマ処理装置１０は、処理容器１２、載置台１４、及びアンテナ１６を備えている。

処理容器１２は、被処理体（ウエハ）Ｗを収容するための処理空間Ｓを画成している。処理容器１２は、側壁１２ａ、及び、底部１２ｂを含み得る。側壁１２ａは、軸線Ｚが延びる方向（以下、「軸線Ｚ方向」という）に延在する略円筒形状を有している。この軸線Ｚは、載置台１４に載置されたウエハＷの中心を鉛直方向に通過する軸線であり、側壁１２ａの中心軸線は軸線Ｚに略一致し得る。

側壁１２ａは、例えば、アルミニウムといった金属材料から構成されている。側壁１２ａの内面はアルマイト処理されているか、或いは、当該内面にはＹ_２Ｏ_３といった材料による被覆が施されている。側壁１２ａの直径は、処理するウエハＷの直径に応じて決定されるものであり、直径４５０ｍｍのウエハＷを処理する場合には、例えば、７５０ｍｍである。この側壁１２ａの上端部は開口している。側壁１２ａの上端部開口は、後述する誘電体窓５０及びガスシャワー部６２によって閉じられている。なお、誘電体窓５０と側壁１２ａの上端部との間にはＯリングといった封止部材が介在していてもよい。

処理容器１２内には、載置台１４が設けられている。一実施形態においては、載置台１４は、プレート１８、基台２０、及び静電チャック２２を含んでいる。プレート１８は、略円盤状の金属製の部材であり、例えば、アルミニウムから構成されている。このプレート１８は、高周波電極として機能する。

プレート１８には、マッチングユニットＭＵ及び給電棒ＰＦＲを介して、高周波バイアス電力を発生する高周波電源ＲＦＧが電気的に接続されている。高周波電源ＲＦＧは、ウエハＷに引き込むイオンのエネルギーを制御するのに適した一定の周波数、例えば、１３．６５ＭＨｚの高周波バイアス電力を出力する。マッチングユニットＭＵは、高周波電源ＲＦＧ側のインピーダンスと、主に電極、プラズマ、処理容器１２といった負荷側のインピーダンスとの間で整合をとるための整合器を収容している。この整合器内には、自己バイアス生成用のブロッキングコンデンサが含まれ得る。

プレート１８上には、基台２０が設けられている。基台２０は、略円盤状の金属製の部材であり、例えば、アルミニウムから構成されている。一実施形態では、この基台２０の外周面に沿って絶縁部材２４が設けられている。この絶縁部材２４は、例えば、石英から構成されており、基台２０の外周面を保護している。

基台２０の上面の中央領域上には、静電チャック２２が設けられている。静電チャック２２の上面は、ウエハＷを載置するための載置領域ＭＲとして機能する。上述した軸線Ｚは、この載置領域ＭＲの中心を鉛直方向に通過する。静電チャック２２は、ウエハＷを静電吸着力で保持する。

一実施形態においては、静電チャック２２は、略円盤形状の誘電体膜２２ａ内に設けられた電極膜２２ｂを含んでいる。電極膜２２ｂには、直流電源ＤＣＳがスイッチＳＷを介して電気的に接続されている。静電チャック２２は、直流電源ＤＣＳから印加される直流電圧により発生するクーロン力によって、その上面にウエハＷを吸着保持することができる。この静電チャック２２の径方向外側には、ウエハＷの周囲を環状に囲むフォーカスリングＦＲが設けられている。

一実施形態においては、載置台１４は、また、ウエハＷの温度を調整するための温度調整機構を有している。温度制御機能の一例として、基台２０の内部には、周方向に延びる環状の冷媒室２０ｇが設けられている。この冷媒室２０ｇには、チラーユニットから管Ｐ１，Ｐ２を介して所定の温度の冷媒、例えば、冷却水が循環供給される。また、プラズマ処理装置１０では、伝熱ガス供給部からの伝熱ガス、例えば、Ｈｅガスが、管Ｐ３を介して静電チャック２２の上面とウエハＷの裏面との間に供給される。

さらに、一実施形態においては、プラズマ処理装置１０は、ＨＣ、及びＨＥを更に備え得る。ヒータＨＣは、基台２０内に設けられている。ヒータＨＣは、基台２０内において、載置領域ＭＲの中央部分の下方、即ち軸線Ｚに交差する領域に設けられている。また、ヒータＨＥは、基台２０内に設けられており、ヒータＨＣを囲むように環状に延在している。ヒータＨＥは、上述した載置領域ＭＲのエッジ領域の下方に設けられている。かかる一例においては、ウエハＷの温度は、冷媒室２０ｇを流れる冷媒、静電チャック２２の上面とウエハＷの裏面との間に供給される伝熱ガス、及びヒータＨＣ，ＨＥによって制御され得る。

図１に示すように、載置台１４は、筒状の支持部２６によって支持されている。具体的には、載置台１４は、筒状の支持部２６の上部の上に搭載されている。また、筒状の支持部２６の下面の縁部と処理容器１２の底部１２ｂとの間には、筒状のベローズ２８が介在している。このベローズ２８は、後述する駆動機構による載置台１４及び支持部２６の上下動に伴い伸縮して、支持部２６と処理容器１２の底部１２ｂとの間の密閉を維持する。

一実施形態では、支持部２６の外周面に沿って絶縁部材３０が設けられている。この絶縁部材３０は、例えば、石英から構成され得る。絶縁部材２４、絶縁部材３０、及びベローズ２８と処理容器１２の内面との間には、排気路ＶＬが形成されている。排気路ＶＬの軸線Ｚ方向における中間には、複数の貫通孔が形成された環状のバッフル板３２が設けられている。バッフル板３２は、図１に示す実施形態では、絶縁部材３０と一体化されている。

排気路ＶＬは、排気口ＶＰを提供する排気管３４に接続している。排気管３４は、処理容器１２の底部１２ｂに取り付けられている。排気管３４には、排気装置３６が接続されている。排気装置３６は、圧力調整器、及びターボ分子ポンプなどの真空ポンプを有している。この排気装置３６を動作させることにより、載置台１４の外周から排気路ＶＬを介してガスを排気することができ、処理空間Ｓを所望の真空度まで減圧することができる。

図１及び図２に示すように、アンテナ１６は、載置台１４の上方に設けられている。このアンテナ１６は、処理ガスを励起するためのマイクロ波を導入するものである。また、一実施形態では、プラズマ処理装置１０は、マイクロ波発生器３８、チューナ４０、導波管４２、モード変換器４４、及び同軸導波管４６を更に備え得る。マイクロ波発生器３８は、例えば２．４５ＧＨｚの周波数のマイクロ波を発生する。マイクロ波発生器３８は、チューナ４０、導波管４２、及びモード変換器４４を介して、同軸導波管４６の上部に接続されている。

同軸導波管４６は、外側導体４６ａ及び内側導体４６ｂを含んでいる。外側導体４６ａは、軸線Ｚをその中心軸線として軸線Ｚ方向に延在する円筒形状を有している。外側導体４６ａの下端は、導電性の表面を有する冷却ジャケット５８の上部に電気的に接続され得る。内側導体４６ｂは、外側導体４６ａの内側において、当該外側導体４６ａと同軸に設けられている。内側導体４６ｂは、軸線Ｚ方向に延在する円筒形状を有している。内側導体４６ｂの下端は、アンテナ１６の第２スロット板５６に接続している。後述するように、内側導体４６ｂの下端は、拡径されており、フランジ４６ｆを構成しており、このフランジ４６ｆが第２スロット板５６に接続している。

アンテナ１６は、誘電体窓５０を含んでいる。また、一実施形態においては、アンテナ１６は、誘電体板５２、第１スロット板５４、及び、第２スロット板５６を含んでいる。
誘電体板５２は、誘電体製の略環状の板であり、例えば、石英から構成されている。誘電体板５２は、第２スロット板５６と冷却ジャケット５８の下面との間に挟持されている。上述した内側導体４６ｂと外側導体４６ａとの間に形成された導波路は、冷却ジャケット５８の内側面と内側導体４６ｂとの間に形成された導波路に繋がり、当該導波路は、冷却ジャケット５８の下面と第２スロット板５６の上面との間に形成された導波路に繋がっている。誘電体板５２は、冷却ジャケット５８の下面と第２スロット板５６の上面との間に形成された導波路中に配置されており、伝搬されるマイクロ波の波長を短縮させる。

第２スロット板５６は、金属製の略円盤状の部材である。第２スロット板５６の直下には、当該第２スロット板５６に接するように、第１スロット板５４が設けられている。第１スロット板５６も、金属製の略円盤状の部材である。第２スロット板５６の中央には、内側導体４６ｂが通る略円形の貫通孔が形成されている。また、第１スロット板５４の中央にも、第２スロット板５６の貫通孔に連続する貫通孔が設けられている。この第１スロット板５４の貫通孔内には、内側導体４６ｂの下端に設けられたフランジ４６ｆが配置されている。このフランジ４６ｆが第２スロット板５６に接することにより、内側導体４６ｂと第２スロット板５６が接続される。

第１スロット板５４及び第２スロット板５６には、これらスロット板５４及び５６を貫通する複数のスロットＳＬが形成されている。図３は、誘電体窓の下面領域及びスロットを、下方から見て示す平面図である。なお、図１及び図２は、図３のＩ−Ｉ線に沿ってとった断面と同平面におけるプラズマ処理装置１０の断面構造が示されている。以下、図１及び図２と共に、図３を参照する。

複数のスロットＳＬは、軸線Ｚを中心とする円弧Ｃ１に沿って配列されている。この円弧Ｃ１の直径は、４５０ｍｍのウエハＷを処理する場合には、例えば、４１０ｍｍである。複数のスロットＳＬの各々は、弧状の平面形状を有している。複数のスロットＳＬの各々が、軸線Ｚに対して周方向に延在する角度θは、例えば、３５°である。

図１及び図２に示すように、各スロットＳＬの上部、即ち、第２スロット板５６に形成されたスロットＳＬの一部の中には、誘電体板５２が突出しており、当該スロットＳＬの上部を埋めている。また、各スロットＳＬの下部、即ち、第１スロット板５４に形成されたスロットＳＬの一部には、誘電体片６０が埋め込まれている。誘電体片６０も、誘電体板５２と同様に、石英から構成され得る。

これらスロットＳＬの下方には、誘電体窓５０が設けられている。誘電体窓５０は、誘電体製の略環状の板であり、例えば、石英から構成されている。誘電体窓５０は、下面領域５０ａを有する。下面領域５０ａは、軸線Ｚを略中心として略環状に延在している。誘電体窓５０は、この下面領域５０ａにおいて処理空間Ｓに接している。下面領域５０ａは、内縁５０ｉ及び外縁５０ｐによって規定される。下面領域５０ａの内縁５０ｉの直径は、４５０ｍｍのウエハＷを処理する場合には、例えば、３００ｍｍである。また、下面領域５０ａの外縁５０ｐの直径は、４５０ｍｍのウエハＷを処理する場合には、例えば、５５０ｍｍである。この下面領域５０ａは、ウエハＷのエッジの鉛直上方の領域に設けられている。したがって、誘電体窓５０は、処理空間Ｓに接する領域を下面領域５０ａに制限して、マイクロ波の表面波が伝搬する領域を当該下面領域５０ａに制限している。これにより、プラズマ処理装置１０では、プラズマが発生する誘電体窓５０直下の領域を、ウエハＷのエッジの鉛直上方の領域に制限することができる。

また、図１及び図２に示すように、プラズマ処理装置１０は、ガスシャワー部６２を更に備えている。ガスシャワー部６２は、環状板形状の誘電体窓５０の内周面によって画成される空間内に配置されている。ガスシャワー部６２は、本体部６４及び保護カバー６６を含んでいる。本体部６４は、上端において開口された略筒形状を有している。本体部６４の上端は、第１スロット板５４に接続されている。本体部６４は、その下端側にシャワープレート部６４ａを有している。シャワープレート部６４ａは、略円形の平面形状を有している。また、シャワープレート部６４ａの処理空間Ｓ側の表面は、保護カバー６６によって覆われている。保護カバー６６は、例えば、石英から構成されている。この保護カバー６６及びシャワープレート部６４ａには、これらを鉛直方向に貫通する複数のガス噴射孔６２ｈが形成されている。

ガスシャワー部６２の本体部６４は、第１スロット板５４と共にガス拡散室６２ｓを画成している。上述した複数のガス噴射孔６２ｈは、ガス拡散室６２ｓと処理空間Ｓの間で延びている。また、同軸導波管４６の内側導体４６ｂの内孔には、管６８が通されており、当該管６８の一端はガス拡散室６２ｓ内に設けられている。この管６８の他端には、第１のガス供給部ＧＳ１が接続されている。第１のガス供給部ＧＳ１は、処理ガスのガス源、バルブ、及びマスフローコントローラといった流量制御器を含み得る。

プラズマ処理装置１０では、第１のガス供給部ＧＳ１から供給される処理ガスが、管６８を介してガス拡散室６２ｓに至り、当該ガス拡散室６２ｓにおいて拡散される。ガス拡散室６２ｓにおいて拡散した処理ガスは、複数のガス噴射孔６２ｈから処理空間Ｓに導入される。ガスシャワー部６２のガス噴射孔６２ｈから処理空間Ｓに導入される処理ガスは、誘電体窓５０の近傍の領域に供給される。即ち、電子密度が高いプラズマ生成領域に供給される。また、上述したように、ガスシャワー部６２は、略環状板形状の誘電体窓５０の内側の空間に設けられており、軸線Ｚを中心とする広い領域に分布されたガス噴射孔６２ｈからガスを導入することができる。したがって、ウエハＷに向けた比較的均一な処理ガスの流れを形成することが可能となる。

図１に示すように、一実施形態においては、プラズマ処理装置１０は、周辺導入部７０を更に備え得る。周辺導入部７０は、複数のガス噴射孔７０ｈを提供している。複数のガス噴射孔７０ｈは、主としてウエハＷのエッジ領域に処理ガスを供給する。複数のガス噴射孔７０ｈは、ウエハＷのエッジ領域、又は、載置領域ＭＲのエッジ領域に向けて開口している。複数のガス噴射孔７０ｈは、ガスシャワー部６２よりも下方、且つ、載置台１４の上方において周方向に沿って配列されている。即ち、複数のガス噴射孔７０ｈは、誘電体窓５０の直下よりも電子温度の低い領域（プラズマ拡散領域）において軸線Ｚを中心として周方向に沿って配列されている。かかる周辺導入部７０は、ガスシャワー部６２から供給される処理ガスよりも解離が抑制された処理ガスを、ウエハＷのエッジ領域に向けて供給することが可能である。

一実施形態においては、周辺導入部７０は、環状の管７２を更に含み得る。この管７２には、複数のガス噴射孔７０ｈが形成されている。環状の管７２は、例えば、石英から構成され得る。図１に示すように、環状の管７２は、一実施形態においては、側壁１２ａの内面に沿って設けられている。換言すると、環状の管７２は、誘電体窓５０と載置領域ＭＲ、即ちウエハＷとを結ぶ経路上には配置されていない。したがって、環状の管７２は、プラズマの拡散を阻害しない。また、環状の管７２が側壁１２ａの内壁面に沿って設けられているので、当該環状の管７２のプラズマによる消耗が抑制され、当該環状の管７２の交換頻度を減少させることが可能となる。

環状の管７２には、管７４の一端が接続されている。管７４の他端には、第２のガス供給部ＧＳ２が接続されている。第２のガス供給部ＧＳ２は、処理ガスのガス源、バルブ、及びマスフローコントローラといった流量制御器を含み得る。第２のガス供給部ＧＳ２から供給される処理ガスは、第１のガス供給部ＧＳ１から供給される処理ガスと同種のガスであってもよく、或いは、一部又は全部において異なるガス種のガスであってもよい。

図１に示すように、一実施形態において、プラズマ処理装置１０は、載置台１４を上下動させて当該載置台１４と誘電体窓５０との間の軸線Ｚ方向の距離を調整するための駆動機構を更に備え得る。具体的に、ベローズ２８によって囲まれた空間内には、脚部８０が設けられている。脚部８０は、軸線Ｚ方向に延在しており、その上端は支持部２６の下面に結合しており、その下端はリンク８２のプレート部８２ａに結合している。

リンク８２は、上記プレート部８２ａ及び二つの柱状部８２ｂを含んでいる。プレート部８２ａは、処理容器１２の下方に設けられている。一実施形態においては、このプレート部８２ａには、上述したマッチングユニットＭＵが取り付けられている。また、プレート部８２ａ及び支持部２６の中央には軸線Ｚに沿って延びる貫通孔が設けられており、上述した給電棒ＰＦＲは、プレート部８２ａの貫通孔及び支持部２６の貫通孔を通って、載置台１４のプレート１８に接続している。

柱状部８２ｂは、プレート部８２ａの周縁から上方に延在している。また、柱状部８２ｂは、側壁１２ａの外側において、当該側壁１２ａと略平行に延在している。これら柱状部８２ｂには、ボールネジによる送り機構が接続している。具体的には、二つのネジ軸８４が、側壁１２ａの外側において二つの柱状部８２ｂと略平行に延在している。これらネジ軸８４は、二つのモータ８６にそれぞれ接続している。また、これらネジ軸８４には、二つのナット８８がそれぞれ取り付けられている。これらナット８８には、二つの柱状部８２ｂがそれぞれ結合している。

かかる駆動機構によれば、モータ８６を回転駆動させることにより、ナット８８が軸線Ｚ方向に移動、即ち上下動する。ナット８８の上下動に伴い、リンク８２に間接的に支持された載置台１４は、軸線Ｚ方向に移動、即ち上下動することができる。その結果、載置台１４と誘電体窓５０との間の軸線Ｚ方向の距離、延いては、ウエハＷと誘電体窓５０との間の軸線Ｚ方向の距離を調整することが可能となる。

以上説明したプラズマ処理装置１０では、誘電体窓５０において処理空間Ｓに接する領域が下面領域５０ａに制限されており、当該下面領域５０ａが環形状に構成されて、表面波が伝搬する領域を載置領域ＭＲのエッジの上方の領域、即ち、ウエハＷのエッジの上方の領域に制限するようになっている。したがって、モードホップが生じてもプラズマが発生する領域は、下面領域５０ａの直下に制限される。即ち、ウエハＷのエッジの上方の領域に、プラズマが生成される領域が制限される。かかるプラズマを拡散させることによってウエハＷを処理するので、プラズマ処理装置１０は、ウエハＷの面内の位置による処理のバラツキを低減させることが可能となる。

また、上述した載置台１４の上下動を実現する駆動機構によれば、載置台１４と誘電体窓５０との間の軸線Ｚ方向の距離を調整することが可能である。これにより、ウエハＷの直上における径方向のプラズマの密度の分布を調整することが可能である。例えば、ウエハＷの外縁直上でのプラズマの密度がウエハＷの中心直上でのプラズマの密度より高くなるようなプラズマの密度の分布、或いは、これとは逆のプラズマの密度の分布を形成することが可能となり得る。

以下、プラズマ処理装置１０の評価のために行った種々のシミュレーション結果について説明する。

（シミュレーション１〜４）

シミュレーション１〜４では、従来の誘電体窓と同形状の円盤形状の誘電体窓の下面における境界条件を変更することで、誘電体窓の直下においてプラズマが発生する位置を変更し、ウエハの直上での径方向のプラズマ密度の均一性を評価した。図４は、シミュレーション１において模擬したプラズマ処理装置を概略的に示す図である。図４に示すように、シミュレーション１において模擬したプラズマ処理装置Ｓ１０は、処理空間Ｓを画成する側壁Ｓ１２、及び、誘電体窓Ｓ５０を有するものした。側壁Ｓ１２は、軸線Ｚを中心として軸線Ｚ方向に延びる筒形状をなし、当該側壁Ｓ１２の内面の半径ｒ１２は、２７０ｍｍとした。また、誘電体窓Ｓ５０は、半径２２５ｍｍの略円盤状をなし、石英製とし、誘電体窓Ｓ５０とウエハＷとの間の距離ＧＰは、１５０ｍｍに設定した。

シミュレーション１及び３では、誘電体窓Ｓ５０の下面のうち領域ＡＲの直下においてプラズマが発生するよう境界条件を設定し、一方、シミュレーション２及び４では、誘電体窓Ｓ５０の下面のうち領域ＢＲの直下においてプラズマが発生するよう境界条件を設定した。なお、軸線Ｚから領域ＡＲの径方向中心までの距離ｒＡを６５ｍｍに設定し、領域ＡＲの径方向の幅ｒＷＡを３０ｍｍに設定した。また、軸線Ｚから領域ＢＲの径方向中心までの距離ｒＢを１５５ｍｍに設定し、領域ＢＲの径方向の幅ｒＷＢを３０ｍｍに設定した。また、シミュレーション１及び２では、処理空間Ｓの圧力を２０ｍＴｏｒｒ（２．６６６Ｐａ）に設定し、シミュレーション３及び４では、処理空間Ｓ内の圧力を１００ｍＴｏｒｒ（１３．３３Ｐａ）に設定した。

シミュレーション１〜４の各々では、上述した条件下でのウエハＷの直上５ｍｍにおけるプラズマ密度を、軸線Ｚから放射方向に延びるラインＬＮ上の複数のサンプル点において求めた。そして、シミュレーション１〜４の各々では、複数のサンプル点において求めたプラズマ密度から、プラズマ密度の径方向の均一性を求めた。具体的には、複数のサンプル点のプラズマ密度の平均値Ａｖｅ、及び、複数のサンプル点のプラズマ密度の標準偏差値（Ｓｔａｎｄａｒｄ Ｄｅｖｉａｔｉｏｎ）ＳＤを求め、ＳＤ／Ａｖｅを、プラズマ密度の径方向の均一性の尺度とした。その結果、シミュレーション１〜４で求めたＳＤ／Ａｖｅはそれぞれ、３９％、２８％、４５％、１５％であった。

シミュレーション１及びシミュレーション２は共に処理空間Ｓの圧力を２０ｍＴｏｒｒに設定したシミュレーションであるが、領域ＡＲにおいてプラズマを発生させたシミュレーション１のＳＤ／Ａｖｅよりも、領域ＡＲよりも外側の領域ＢＲにおいてプラズマを発生させたシミュレーション２のＳＤ／Ａｖｅが小さかった。また、シミュレーション３及びシミュレーション４は共に処理空間Ｓの圧力を１００ｍＴｏｒｒに設定したシミュレーションであるが、シミュレーション１及び２の結果と同様に、領域ＡＲにおいてプラズマを発生させたシミュレーション３のＳＤ／Ａｖｅよりも、領域ＡＲよりも外側の領域ＢＲにおいてプラズマを発生させたシミュレーション４のＳＤ／Ａｖｅが小さかった。このことから、軸線Ｚからより離れた位置でプラズマを発生させることにより、ウエハＷの直上における径方向のプラズマ密度の均一性が高められることが確認された。よって、環状の下面領域５０ａの直下にプラズマの発生位置を制限することにより、ウエハＷの直上における径方向のプラズマ密度の均一性が高められることが確認された。

（シミュレーション５〜１０）

図５は、シミュレーション５〜１０の設定を説明するための平面図であり、誘電体窓の下面領域及びスロットを、下方から見て示す平面図である。シミュレーション５〜７では、プラズマ処理装置１０を模擬し、誘電体窓５０の下面領域５０ａにおける電界強度をシミュレーションした。

具体的に、シミュレーション５〜７では、図５の（ａ）に示すように、θ＝３５°の九つのスロットＳＬが直径４１０ｍｍの円弧Ｃ１に沿って配列され、当該スロットＳＬの直下に石英製の誘電体窓５０が配置され、誘電体窓５０には２．４５ＧＨｚのマイクロ波が導入される系を設定した。また、シミュレーション５〜７では、下面領域５０ａの内縁５０ｉの直径を３００ｍｍに設定し、外縁５０ｐの直径を５５０ｍｍに設定した。また、誘電体窓５０の厚みをλ／４に設定した。なお、λは、マイクロ波の波長である。さらに、シミュレーション５〜７ではそれぞれ、処理空間Ｓの電子密度を、８×１０^１６（ｍ^−３）、５×１０^１７（ｍ^−３）、１×１０^１８（ｍ^−３）に設定した。そして、シミュレーション５〜７において、下面領域５０ａにおける電界強度分布を算出した。

また、シミュレーション８〜１０では、図５の（ｂ）に示すように、シミュレーション５〜７とは誘電体窓（図中参照符号５００で示す）が円盤状である点において条件が異なる系を設定し、誘電体窓の下面における電界強度分布を算出した。なお、ミュレーション８〜１０における処理空間Ｓの電子密度はそれぞれ、８×１０^１６（ｍ^−３）、５×１０^１７（ｍ^−３）、１×１０^１８（ｍ^−３）であった。なお、シミュレーション５〜１０では、処理空間Ｓに均一なプラズマが生成され、処理空間Ｓが誘電体で充たされているものと仮定し、プラズマ物性値として下記式（１）に示す誘電率ε_ｐを使用した。

ここで、ε_０は真空の誘電率であり、ω＝２．４５ＧＨｚとした。また、Ｖ_ｅ及びω_ｐは、電子密度の関数であり、プラズマ角周波数ω_ｐは、以下の式（２）に従って計算した。

また、Ｖ_ｅには電子とアルゴンの衝突周波数を使用し、以下の（３）式に従って計算した。
Ｖ_ｅ＝ｋ_ｅｎ_{ｎｅｕｔｒａｌ} …（３）
なお、ｋ_ｅは電子とアルゴンの弾性衝突係数とし、ｎ_neutralはガス密度とした。ｅは単位電荷量であり、ｎ_ｅは電子密度であり、ｍ_ｅは電子の質量である。

図６は、シミュレーション５〜１０において求めた電界強度分布を示すグラフである。図６の（ａ）は、シミュレーション５〜７で算出した電界強度分布を示すグラフであり、軸線Ｚから径方向に延びるＬＮ１（図５の（ａ）参照）に沿って誘電体窓５０の下面領域５０ａにおける電界強度分布を示したグラフである。図６の（ａ）において、縦軸は、ラインＬＮ１上での電界強度の最大値で規格化した電界強度を示しており、横軸は、軸線Ｚからの距離を示している。また、図６の（ｂ）は、シミュレーション８〜１０で算出した電界強度分布を示すグラフであり、軸線Ｚから径方向に延びるＬＮ２（図５の（ｂ）参照）に沿って誘電体窓の下面における電界強度分布を示したグラフである。図６の（ｂ）において、縦軸は、ラインＬＮ２上での電界強度の最大値で規格化した電界強度を示しており、横軸は、軸線Ｚからの距離を示している。

図６の（ｂ）に示すように、シミュレーション８〜１０の結果から、処理空間Ｓの電子密度を変更すると、誘電体窓の下面においては電界強度分布が大きく変動すること、即ち、モードホップが発生し、大きな強度の電界が発生する位置が変動する位置が、円盤形状の誘電体窓の下面にわたって変動することが確認された。一方、図６の（ａ）に示すように、シミュレーション５〜７の結果から、プラズマ処理装置１０の誘電体窓５０によれば、電子密度が変更されるとモードホップが生じるが、大きな強度の電界が発生する位置は下面領域５０ａとプラズマとの境界に限定されることが確認された、したがって、プラズマ処理装置１０の誘電体窓５０によれば、プラズマの発生位置が下面領域５０ａの直下に制限されることが確認された。

（シミュレーション１１）
図７は、シミュレーション１１において設定した系を説明する図である。シミュレーション１１では、石英製の環状の板として構成された誘電体窓５０の下面とウエハＷとの間の軸線Ｚ方向の距離ＧＰと軸線Ｚから誘電体窓５０の径方向中心における距離ｒ５０との間の距離を種々に変更して、ウエハＷの直上５ｍｍにおけるプラズマの密度分布を算出した。なお、誘電体窓５０の内縁と外縁との間の距離Ｗ５０を４０ｍｍに設定し、ウエハＷの直径を４５０ｍｍに設定し、処理容器１２の側壁１２ａの内面と軸線Ｚとの間の距離、即ち、側壁１２ａの内面の直径を、７５０ｍｍに設定した。

図８は、シミュレーション１１により求めた結果を示すグラフである。図８に示すグラフにおいて横軸はＧＰを示しており、縦軸はＧＰ／ｒ５０を示している。また、図８のグラフに示す実線ＣＨ８は、ウエハＷの直上５ｍｍにおける径方向のプラズマ密度が略均一であると見なせる場合のＧＰとＧＰ／ｒ５０との関係を示している。また、図８においてハッチングされた領域Ｇ８は、ＧＰとＧＰ／ｒ５０の組み合わせが当該領域Ｇ８内に含まれるときに、ウエハＷのエッジ直上におけるプラズマ密度がウエハＷの中央直上におけるプラズマ密度よりも高くなることを示している。なお、実線ＣＨ８を境界として領域Ｇ８と反対側の領域に含まれるＧＰとＧＰ／ｒ５０の組み合わせにおいては、ウエハＷの中央直上におけるプラズマ密度がウエハＷの外縁直上におけるプラズマ密度よりも高くなる。

図８に示すように、シミュレーション１１からは、ウエハＷと誘電体窓５０の下面領域５０ａとの間の距離を調整することにより、ウエハＷの直上におけるプラズマ密度の分布を調整できることが確認された。よって、このシミュレーション１１からは、上述した載置台１４の駆動機構が有効であることが確認された。

なお、一般的には、ウエハＷの面内の位置による処理のバラツキを低減させるには、ウエハＷの直上における径方向のプラズマの密度のバラツキを低減させるか、或いは、ウエハＷの中央直上におけるプラズマ密度よりもウエハＷのエッジ直上におけるプラズマの密度を大きくすることが望まれる。したがって、図８の実線ＣＨ８又は領域Ｇ８によって特定される誘電体窓５０の下面とウエハＷとの間の軸線Ｚ方向の距離ＧＰを用いることが一般的には、望ましいと考えられる。

以上、プラズマ処理装置の実施形態及びシミュレーションについて説明してきたが、上述した実施形態に限定されることなく種々の変形態様を構成可能である。例えば、誘電体窓５０の形状は、上記実施形態に限定されるものではない。例えば、誘電体窓として、図９に示す誘電体窓が用いられてもよい。図９は、別の実施形態に係るプラズマ処理装置を説明する図である。図９の（ａ）には、誘電体窓の下面領域及びスロットを、下方から見て示す平面図が示されており、図９の（ｂ）には、別の実施形態に係るプラズマ処理装置の上側部分の構成を示す断面図が示されている。なお、図９の（ｂ）に示す断面図は、図９の（ａ）のＩＸ−ＩＸ線に沿ってとった断面に対応する断面図である。

図９に示すプラズマ処理装置では、誘電体窓５０の下面に複数の凹部５０ｄが形成されている点において、図１に示したプラズマ処理装置１０と異なっている。これら複数の凹部５０ｄは、軸線Ｚに対して周方向に配列されている。また、これら凹部５０ｄは、スロットＳＬの鉛直下方に設けられ得る。図９に示すプラズマ処理装置によれば、凹部５０ｄ内にプラズマの発生位置が制限され得る。したがって、プラズマの発生位置を安定させることが可能となる。

図１０は、更に別の実施形態のプラズマ処理装置における誘電体窓の下面領域及びスロットを、下方から見て示す平面図である。図１０に示すように、更に別の実施形態のプラズマ処理装置においては、複数のスロットＳＬのうちの一群のスロットは、円弧Ｃ１１に沿って配列されており、複数のスロットＳＬのうち他の一群のスロットは、円弧Ｃ１１よりも直径の大きな円弧Ｃ１２に沿って配列されている。このように、複数の同心の円弧のそれぞれに沿って複数群のスロットが配列されていてもよい。

また、各スロットＳＬが周方向に延在する角度範囲θ、及び、一つの円弧に沿って配列されるスロットＳＬの個数は、任意に変更可能である。

１０…プラズマ処理装置、１２…処理容器、１２ａ…側壁、１４…載置台、１８…プレート、２０…基台、２２…静電チャック、２６…支持部、２８…ベローズ、３２…バッフル板、３６…排気装置、１６…アンテナ、５０…誘電体窓、５０ａ…下面領域、５０ｉ…内縁、５０ｐ…外縁、５２…誘電体板、５４…第１スロット板、５６…第２スロット板、５８…冷却ジャケット、６２…ガスシャワー部、６２ｈ…ガス噴射孔、６２ｓ…ガス拡散室、７０…周辺導入部、７０ｈ…ガス噴射孔、７２…環状の管、８２…リンク、８４…ネジ軸、８６…モータ、８８…ナット、ＦＲ…フォーカスリング、ＭＲ…載置領域、Ｓ…処理空間、ＳＬ…スロット、Ｚ…軸線。

Claims (4)

1. 処理ガスのプラズマを発生させて被処理体を処理するプラズマ処理装置であって、
   処理空間を画成する処理容器と、
   前記処理容器内に収容される被処理体を載置するための載置領域を有する載置台と、
   マイクロ波導入用のアンテナと、
   を備え、
   前記アンテナは、前記載置台の上方に設けられた誘電体窓を有し、
   前記誘電体窓は前記処理空間に接する下面領域を有し、該下面領域は表面波が伝搬する領域を前記載置領域のエッジの上方の領域に制限するよう環状に構成されている、
   プラズマ処理装置。
2. 前記載置台と前記誘電体窓との間の距離を調整するための機構を更に備える、請求項１に記載のプラズマ処理装置。
3. 前記誘電体窓の下面領域は、周方向に配列された複数の凹部を有している、請求項１又は２に記載のプラズマ処理装置。
4. 前記アンテナは、前記誘電体窓に対してマイクロ波を放射するための複数のスロットが形成されたスロット板を含み、
   前記複数のスロットは、前記下面領域の上方において円弧に沿って配列されており、
   前記複数の凹部は、鉛直方向において前記複数のスロットの下方に位置するように設けられている、
   請求項３に記載のプラズマ処理装置。