JP2017168186A - プラズマ処理装置及びプラズマ処理方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 複数のマイクロ波を共通する一つのマイクロ波透過部材を介して処理容器内に導入するプラズマ処理装置において、マイクロ波透過部材の内部におけるマイクロ波の干渉を効果的に抑制する。【解決手段】マイクロ波透過部材７３Ｂは、板状であり、全体として平面視円環状をなしている。壁部７７は、マイクロ波透過部材７３Ｂの上面から上方に突出する突起として３箇所に均等に配設されている。壁部７７は、円環状のマイクロ波透過部材７３Ｂの上面において、その円環部を横断するように径方向に長く延設されている。壁部７７は、マイクロ波透過部材７３Ｂの内部を周方向に伝播するマイクロ波を反射波によって打消し、マイクロ波透過部材７３Ｂの内部でのマイクロ波の干渉を抑制する。【選択図】図７

Description

本発明は、被処理体をマイクロ波プラズマによって処理するプラズマ処理装置及びプラズマ処理方法に関する。

半導体デバイスの製造過程では、プラズマを用いて、半導体ウエハなどの被処理体に対して、例えば酸化処理、窒化処理などの成膜処理や、エッチング処理などが行われる。最近では、次世代以降のデバイス開発に向けて、微細化への対応が益々求められている。その一方、主に生産効率を高める観点から、被処理体の大型化も進行している。

プラズマ処理に関する従来技術として、特許文献１では、マイクロ波を処理容器内に導入するマイクロ波導入機構を複数箇所に備えるとともに、処理容器の天井部に円周状に配置された複数のスロットと、各スロットから放射されたマイクロ波を透過する円環状のマイクロ波透過部材とを備えたプラズマ処理装置が提案されている。この特許文献１では、円環状のマイクロ波透過部材によって、周方向へのプラズマの均一な拡がりを確保できる、とされている。

また、特許文献２では、処理容器内でのマイクロ波の過度の伝播を抑制するため、マイクロ波を導入する開口の周囲にマイクロ波の伝播を抑制するチョーク溝を設けたプラズマ処理装置が提案されている。

特開２０１５−１１８７３９号公報（特許請求の範囲など） 特開２００３−４５８４８号公報（特許請求の範囲など）

プラズマ処理装置において、マイクロ波導入部位の数をむやみに増やすことなく、被処理体の大型化に対応するためには、特許文献１のように、複数のマイクロ波導入機構からのマイクロ波を共通する一つのマイクロ波透過部材を介して導入することが有効である。しかし、複数のマイクロ波導入機構から導入されるマイクロ波の位相が異なると、マイクロ波透過部材の内部でマイクロ波の干渉が生じて電界強度に偏りが生じ、プラズマの均一性が損なわれることがある。

本発明の目的は、複数のマイクロ波を共通する一つのマイクロ波透過部材を介して処理容器内に導入するプラズマ処理装置において、マイクロ波透過部材の内部におけるマイクロ波の干渉を効果的に抑制することである。

本発明のプラズマ処理装置は、被処理体を収容する処理容器と、
前記処理容器の内部に配置され、前記被処理体を載置する載置面を有する載置台と、
マイクロ波を生成すると共に、該マイクロ波を複数の経路に分配して出力するマイクロ波出力部と、
前記マイクロ波出力部から出力されたマイクロ波を複数の伝送経路で前記処理容器内へ伝送するマイクロ波伝送部と、
前記マイクロ波伝送部によって伝送された前記マイクロ波を前記処理容器内に放射するマイクロ波導入部と、
を備えている。

本発明のプラズマ処理装置において、前記マイクロ波伝送部は、前記複数の伝送経路毎に、前記マイクロ波出力部と前記処理容器内との間のインピーダンスを整合させるチューナー部を有している。

また、本発明のプラズマ処理装置において、前記マイクロ波導入部は、
前記処理容器の天井部を構成するとともに、前記載置面に対向して設けられた凹部を有する導電性部材と、
前記導電性部材の一部分をなし、前記マイクロ波伝送部を介して伝送された前記マイクロ波を放射する複数のスロットと、
前記導電性部材の前記凹部に嵌合し、前記スロットから放射された前記マイクロ波を透過させて前記処理容器内に導入させるマイクロ波透過部材と、
を有している。

そして、本発明のプラズマ処理装置において、前記マイクロ波透過部材は、複数の前記伝送経路を介して伝送された複数の前記マイクロ波に共通して設けられているとともに、その内部における複数のマイクロ波の干渉を抑制する干渉抑制手段を有している。

本発明のプラズマ処理装置は、前記干渉抑制手段が、板状をなす前記マイクロ波透過部材に形成された突起であってもよい。この場合、前記マイクロ波透過部材は、全体として円環状をなしていてもよく、前記突起が、前記円環状のマイクロ波透過部材の上面において、その径方向に横断して設けられた壁部であってもよい。

本発明のプラズマ処理装置において、前記マイクロ波導入部は、さらに、誘電体材料からなる複数のマイクロ波遅波材を備えていてもよく、
前記マイクロ波遅波材は、前記導電性部材において、前記複数のスロットの上部であって前記チューナー部の配置部分と上下に重なる部位を含む円環状をなす領域に沿って全体として円環状に配置されていてもよい。この場合、前記突起が、前記チューナー部の配置部分と上下に重ならない部位において、隣接する２つの前記マイクロ波遅波材の間に挿入されていてもよい。

本発明のプラズマ処理装置は、前記複数のスロットと前記マイクロ波透過部材との間に、前記複数のスロットに対応して互いに分離して設けられた複数の誘電体層を有するものであってもよい。この場合、前記誘電体層は、空気層または誘電体材料層であってもよい。

本発明のプラズマ処理方法は、上記いずれかのプラズマ処理装置を用いて被処理体を処理するものである。

本発明によれば、複数のマイクロ波を共通する一つのマイクロ波透過部材を介して処理容器内に導入するプラズマ処理装置において、マイクロ波透過部材の内部におけるマイクロ波の干渉を効果的に抑制することができる。従って、プラズマの均一な広がりが確保され、被処理体への処理の均一性を確保できる。

本発明の一実施の形態に係るプラズマ処理装置の概略の構成を模式的に示す説明図である。 図１に示した制御部の構成を示す説明図である。 図１に示したマイクロ波導入装置の構成を示す説明図である。 チューナー部とマイクロ波導入部の構成を示す断面図である。 マイクロ波導入部の上部の構成を示す平面図である。 マイクロ波導入部の下部の構成を示す平面図である。 マイクロ波透過部材の外観斜視図である。 壁部を拡大して示すマイクロ波透過部材の要部斜視図である。 シミュレーション結果を示す図面である。

以下、本発明の実施の形態について適宜図面を参照して詳細に説明する。

［プラズマ処理装置の構成例］
まず、本発明の一実施の形態に係るプラズマ処理装置について説明する。図１は、プラズマ処理装置の概略の構成を示す断面図である。図２は、図１に示した制御部の構成を示す説明図である。本実施の形態のプラズマ処理装置１は、連続する複数の動作を伴って、半導体ウエハ（以下、単に「ウエハ」と記す）Ｗに対してプラズマ処理を施す装置である。ここで、プラズマ処理として、例えば、プラズマ酸化処理、プラズマ窒化処理などの成膜処理や、プラズマエッチング処理などを挙げることができる。

プラズマ処理装置１は、被処理体であるウエハＷを収容する処理容器２と、処理容器２の内部に配置され、ウエハＷを載置する載置面２１ａを有する載置台２１と、処理容器２内にガスを供給するガス供給機構３と、処理容器２内を減圧排気する排気装置４と、処理容器２内にプラズマを生成させるためのマイクロ波を発生させると共に、処理容器２内へマイクロ波を導入するマイクロ波導入装置５と、マイクロ波導入装置５からのマイクロ波を処理容器２内へ放射するマイクロ波導入部６Ａ，６Ｂと、これらプラズマ処理装置１の各構成部を制御する制御部８と、を備えている。なお、処理容器２内にガスを供給する手段としては、ガス供給機構３の代りに、プラズマ処理装置１の構成には含まれない外部のガス供給機構を使用してもよい。

＜処理容器＞
処理容器２は、例えば略円筒形状をなしている。処理容器２は、例えばアルミニウムおよびその合金等の金属材料によって形成されている。マイクロ波導入装置５は、処理容器２の上部に設けられ、処理容器２内に電磁波（マイクロ波）を導入してプラズマを生成するプラズマ生成手段として機能する。マイクロ波導入装置５の構成については、後で詳しく説明する。

処理容器２は、板状の天井部１１および底部１３と、天井部１１と底部１３とを連結する側壁部１２とを有している。天井部１１は、複数の凹部を有しており、マイクロ波導入部６Ａ，６Ｂを構成する導電性部材として機能する。側壁部１２は、処理容器２に隣接する図示しない搬送室との間でウエハＷの搬入出を行うための搬入出口１２ａを有している。処理容器２と図示しない搬送室との間には、ゲートバルブＧが配置されている。ゲートバルブＧは、搬入出口１２ａを開閉する機能を有している。ゲートバルブＧは、閉状態で処理容器２を気密にシールすると共に、開状態で処理容器２と図示しない搬送室との間でウエハＷの移送を可能にする。

底部１３は、複数（図１では２つ）の排気口１３ａを有している。プラズマ処理装置１は、更に、排気口１３ａと排気装置４とを接続する排気管１４を備えている。排気装置４は、ＡＰＣバルブと、処理容器２の内部空間を所定の真空度まで高速に減圧することが可能な高速真空ポンプとを有している。このような高速真空ポンプとしては、例えばターボ分子ポンプ等がある。排気装置４の高速真空ポンプを作動させることによって、処理容器２は、その内部空間が所定の真空度、例えば０．１３３Ｐａまで減圧される。

＜載置台＞
載置台２１は、被処理体であるウエハＷを水平に載置するためのものである。プラズマ処理装置１は、更に、処理容器２内において載置台２１を支持する支持部材２２と、支持部材２２と処理容器２の底部１３との間に設けられた絶縁材料よりなる絶縁部材２３とを備えている。支持部材２２は、底部１３の中央から処理容器２の内部空間に向かって延びる円筒形状を有している。載置台２１および支持部材２２は、例えばＡｌＮ等によって形成されている。

プラズマ処理装置１は、更に、載置台２１に高周波電力を供給する高周波バイアス電源２５と、載置台２１と高周波バイアス電源２５との間に設けられた整合器２４とを備えている。高周波バイアス電源２５は、ウエハＷにイオンを引き込むために、載置台２１に高周波電力を供給する。

図示しないが、プラズマ処理装置１は、更に、載置台２１を加熱または冷却する温度制御機構を備えている。温度制御機構は、例えば、ウエハＷの温度を、２０℃（室温）〜９００℃の範囲内で制御する。また、載置台２１は、載置面２１ａに対して突没可能に設けられた複数の支持ピンを有している。複数の支持ピンは、任意の昇降機構により上下に変位し、上昇位置において、図示しない搬送室との間でウエハＷの受け渡しを行うことができるように構成されている。

プラズマ処理装置１は、更に、処理容器２の天井部１１に設けられたガス導入部１５を備えている。ガス導入部１５は、円筒形状をなす複数のノズル１６を有している。ノズル１６は、その下面に形成されたガス孔１６ａを有している。

＜ガス供給機構＞
ガス供給機構３は、ガス供給源３１を含むガス供給装置３ａと、ガス供給源３１とガス導入部１５とを接続する配管３２とを有している。なお、図１では、１つのガス供給源３１を図示しているが、ガス供給装置３ａは、使用されるガスの種類に応じて複数のガス供給源を含んでいてもよい。

ガス供給源３１は、例えば、プラズマ生成用の希ガスや、酸化処理、窒化処理、エッチング処理などに使用される処理ガス等のガス供給源として用いられる。なお、希ガスは、酸化処理、窒化処理、エッチング処理などの処理ガスと共に使用される場合もある。

図示しないが、ガス供給装置３ａは、更に、配管３２の途中に設けられたマスフローコントローラおよび開閉バルブを含んでいる。処理容器２内に供給されるガスの種類や、これらのガスの流量等は、マスフローコントローラおよび開閉バルブによって制御される。

＜制御部＞
プラズマ処理装置１の各構成部は、それぞれ制御部８に接続されて、制御部８によって制御される。制御部８は、典型的にはコンピュータである。図２に示した例では、制御部８は、ＣＰＵを備えたプロセスコントローラ８１と、このプロセスコントローラ８１に接続されたユーザーインターフェース８２および記憶部８３とを備えている。

プロセスコントローラ８１は、プラズマ処理装置１において、例えば温度、圧力、ガス流量、バイアス印加用の高周波電力、マイクロ波出力等のプロセス条件に関係する各構成部（例えば、高周波バイアス電源２５、ガス供給装置３ａ、排気装置４、マイクロ波導入装置５等）を統括して制御する制御手段である。

ユーザーインターフェース８２は、工程管理者がプラズマ処理装置１を管理するためにコマンドの入力操作等を行うキーボードやタッチパネル、プラズマ処理装置１の稼働状況を可視化して表示するディスプレイ等を有している。

記憶部８３には、プラズマ処理装置１で実行される各種処理をプロセスコントローラ８１の制御によって実現するための制御プログラム（ソフトウエア）や、処理条件データ等が記録されたレシピ等が保存されている。プロセスコントローラ８１は、ユーザーインターフェース８２からの指示等、必要に応じて、任意の制御プログラムやレシピを記憶部８３から呼び出して実行する。これにより、プロセスコントローラ８１による制御下で、プラズマ処理装置１の処理容器２内において所望の処理が行われる。

上記の制御プログラムおよびレシピは、例えば、ＣＤ−ＲＯＭ、ハードディスク、フレキシブルディスク、フラッシュメモリ、ＤＶＤ、ブルーレイディスク等のコンピュータ読み取り可能な記憶媒体に格納された状態のものを利用することができる。また、上記のレシピは、他の装置から、例えば専用回線を介して随時伝送させてオンラインで利用することも可能である。

＜マイクロ波導入装置及びマイクロ波導入部＞
次に、図１、図３から図６を参照して、マイクロ波導入装置５及びマイクロ波導入部６Ａ，６Ｂの構成について詳しく説明する。図３は、マイクロ波導入装置５の構成を示す説明図である。図４は、マイクロ波導入装置５の一部分をなすチューナー部６３Ｂとマイクロ波導入部６Ｂの構成を示す断面図である。図５は、天井部１１の上方から見たマイクロ波導入部６Ａ，６Ｂの構成を示す平面図である。図６は、天井部１１の下方から見たマイクロ波導入部６Ａ，６Ｂの構成を示す平面図である。

＜マイクロ波導入装置＞
前述のように、マイクロ波導入装置５は、処理容器２の上部に設けられ、処理容器２内に電磁波（マイクロ波）を導入してプラズマを生成するプラズマ生成手段として機能する。図１および図３に示したように、マイクロ波導入装置５は、マイクロ波を生成すると共に、マイクロ波を複数の経路に分配して出力するマイクロ波出力部５０と、マイクロ波出力部５０から出力されたマイクロ波を処理容器２に伝送するマイクロ波伝送部６０とを有している。

（マイクロ波出力部）
マイクロ波出力部５０は、電源部５１と、マイクロ波発振器５２と、マイクロ波発振器５２によって発振されたマイクロ波を増幅するアンプ５３と、アンプ５３によって増幅されたマイクロ波を複数の経路に分配する分配器５４とを有している。マイクロ波発振器５２は、所定の周波数（例えば、８６０ＭＨｚ）でマイクロ波を発振（例えば、ＰＬＬ発振）させる。なお、マイクロ波の周波数は、８６０ＭＨｚに限らず、２．４５ＧＨｚ、８．３５ＧＨｚ、５．８ＧＨｚ、１．９８ＧＨｚ等であってもよい。分配器５４は、入力側と出力側のインピーダンスを整合させながらマイクロ波を分配する。

（マイクロ波伝送部）
マイクロ波伝送部６０は、複数のアンテナモジュール６１を含んでいる。複数のアンテナモジュール６１は、それぞれ、分配器５４によって分配されたマイクロ波を処理容器２内に導入する。各アンテナモジュール６１は、分配されたマイクロ波を主に増幅して出力するアンプ部６２と、アンプ部６２から出力されたマイクロ波のインピーダンスを調整するチューナー部６３Ａ，６３Ｂとを有している。

本実施の形態では、複数のアンテナモジュール６１におけるアンプ部６２の構成は全て同一である。アンプ部６２は、マイクロ波の位相を変化させる位相調節部としての位相器６２Ａと、メインアンプ６２Ｃに入力されるマイクロ波の電力レベルを調整する可変ゲインアンプ６２Ｂと、ソリッドステートアンプとして構成されたメインアンプ６２Ｃと、後述するマイクロ波導入部６Ａ又は６Ｂのスロットアンテナ部で反射されてメインアンプ６２Ｃに向かう反射マイクロ波を分離するアイソレータ６２Ｄとを含んでいる。

図１に示したように、複数のチューナー部６３Ａ，６３Ｂは、天井部１１に設けられている。本実施の形態では、天井部１１の中央部分に設けられたチューナー部６３Ａと、天井部１１の周縁部分に設けられた３つのチューナー部６３Ｂ（図１では３つの内２つのみを図示。）とを備えている。３つのチューナー部６３Ｂは、チューナー部６３Ａを囲むように、周方向に１２０度の角度をあけて均等に配置されている。図４では、代表的に、天井部１１の周縁部分の上部に配置された一つのチューナー部６３Ｂの構成を示しているが、天井部１１の中央部分の上部に配置されたチューナー部６３Ａも同様の構成である。

チューナー部６３Ａ，６３Ｂは、インピーダンスを整合させるスラグチューナ６４と、金属材料よりなり、図４における上下方向に延びる円筒状の形状を有する本体容器６５と、本体容器６５内において本体容器６５が延びる方向と同じ方向に延びる内側導体６６とを有している。本体容器６５および内側導体６６は、同軸管を構成している。本体容器６５は、この同軸管の外側導体を構成している。内側導体６６は、棒状または筒状の形状を有している。本体容器６５の内周面と内側導体６６の外周面との間の空間は、マイクロ波伝送路６７を形成する。

スラグチューナ６４は、図４に示したように、本体容器６５の基端部側（上端部側）の部分に配置された２つのスラグ６９Ａ，６９Ｂと、２つのスラグ６９Ａ，６９Ｂを動作させるアクチュエータ７０と、このアクチュエータ７０を制御するチューナコントローラ７１とを有している。

スラグ６９Ａ，６９Ｂは、板状且つ環状の形状を有し、本体容器６５の内周面と内側導体６６の外周面との間に配置されている。また、スラグ６９Ａ，６９Ｂは、誘電体材料によって形成されている。スラグ６９Ａ，６９Ｂを形成する誘電体材料としては、例えば、比誘電率が１０の高純度アルミナを用いることができる。

スラグチューナ６４は、チューナコントローラ７１からの指令に基づいて、アクチュエータ７０によって、スラグ６９Ａ，６９Ｂを上下方向に移動させる。これにより、スラグチューナ６４は、インピーダンスを調整する。例えば、チューナコントローラ７１は、終端部のインピーダンスが５０Ωになるように、スラグ６９Ａ，６９Ｂの位置を調整する。

本実施の形態では、メインアンプ６２Ｃ、スラグチューナ６４およびマイクロ波導入部６Ａ又は６Ｂの後述するスロットアンテナ部７４Ａ又は７４Ｂは、互いに近接して配置されている。特に、スラグチューナ６４およびスロットアンテナ部７４Ａ又は７４Ｂは、集中定数回路を構成し、且つ共振器として機能する。スラグチューナ６４によって、スロットアンテナ部７４Ａ又は７４Ｂに至るまでのインピーダンス不整合を高精度で解消することができ、実質的に不整合部分をプラズマ空間とすることができる。これにより、スラグチューナ６４によって、高精度のプラズマ制御が可能になる。

上記のように構成されたチューナー部６３Ａ，６３Ｂにおいて、メインアンプ６２Ｃで増幅されたマイクロ波は、本体容器６５の内周面と内側導体６６の外周面との間（マイクロ波伝送路６７）を通ってマイクロ波導入部６Ａ，６Ｂに伝送される。

＜マイクロ波導入部＞
マイクロ波導入部６Ａ，６Ｂは、天井部１１に設けられている。本実施の形態では、天井部１１の中央部分に設けられたマイクロ波導入部６Ａと、天井部１１の周縁部分に設けられたマイクロ波導入部６Ｂとを備えている。マイクロ波導入部６Ａは、天井部１１の一部分と、マイクロ波遅波材７２Ａと、スロットアンテナ部７４Ａと、マイクロ波透過部材７３Ａとを含んでいる。マイクロ波導入部６Ｂは、天井部１１の一部分と、マイクロ波遅波材７２Ｂと、スロットアンテナ部７４Ｂと、マイクロ波透過部材７３Ｂとを含んでいる。マイクロ波導入部６Ａと、マイクロ波導入部６Ｂは、以下に説明するように構成が若干異なる。

（中央部分のマイクロ波導入部）
図５に示すように天井部１１の中央部分の上部には、チューナー部６３Ａの配置部位と上下に重なる領域に凹部１１ａが形成されており、そこに円板状をなすマイクロ波遅波材７２Ａが嵌め込まれている。また、図６に示すように、天井部１１の中央部分の下面において、マイクロ波遅波材７２Ａと上下に重なる部位には凹部１１ｂが形成されており、そこに円板状をなすマイクロ波透過部材７３Ａが嵌め込まれている。マイクロ波遅波材７２Ａの下方とマイクロ波透過部材７３Ａとの間にはスロットアンテナ部７４Ａが形成されている。スロットアンテナ部７４Ａには、スロット７５ａが形成されている。

スロットアンテナ部７４Ａは、チューナー部６３ＡからＴＥＭ波として伝送されてきたマイクロ波をスロット７５ａによりＴＥ波にモード変換し、マイクロ波透過部材７３Ａを経て、処理容器２内に放射する。スロット７５ａの形状や大きさは、モードジャンプが発生せず均一な電界強度が得られるように適宜調整される。例えば、スロット７５ａは、図５に示すように円環状に形成される。これにより、スロット７５ａ間の継ぎ目が存在せず、均一な電界を形成することができ、モードジャンプも発生し難くなる。

（周縁部分のマイクロ波導入部）
図４及び図５に示すように、天井部１１における周縁部分の上部には、チューナー部６３Ｂの配置部位と上下に重なる円環状の領域に沿って凹部１１ｃが形成されており、そこに複数のマイクロ波遅波材７２Ｂが嵌め込まれている。また、図４及び図６に示すように、天井部１１の周縁部分の下面には、チューナー部６３Ｂの配置部位と上下に重なる円環状の領域に凹部１１ｄが形成されており、そこにマイクロ波透過部材７３Ｂが嵌め込まれている。そして、図４に示すように、複数のマイクロ波遅波材７２Ｂとマイクロ波透過部材７３Ｂとの間には、スロットアンテナ部７４Ｂ及び複数の誘電体層７６が形成されている。

マイクロ波遅波材７２Ｂは、図５に示すように、円弧状をなし、複数のマイクロ波遅波材７２Ｂによって、全体が円環状をなすように配置されている。マイクロ波遅波材７２Ｂは、チューナー部６３Ｂの２倍の数、例えば本実施の形態では６枚設けられている。これらのマイクロ波遅波材７２Ｂは、等間隔に設けられており、隣接するマイクロ波遅波材７２Ｂの間は、導電性部材である天井部１１の一部分をなす隔壁部１１ｅ又は後述するマイクロ波透過部材７３Ｂの一部分をなす壁部７７で分離されている。例えば、３つのチューナー部６３Ｂと上下に重なる部位においては、隣接するマイクロ波遅波材７２Ｂの間に隔壁部１１ｅが下方から挿入されており、隣接するマイクロ波遅波材７２Ｂが分離されている。一方、チューナー部６３Ｂと上下に重ならない残りの３箇所においては、隣接するマイクロ波遅波材７２Ｂの間にマイクロ波透過部材７３Ｂの壁部７７が下方から挿入されており、隣接するマイクロ波遅波材７２Ｂが分離されている。なお、壁部７７とその両側のマイクロ波遅波材７２Ｂとは、例えば２〜３ｍｍ程度のクリアランスをもって離間させておくことが好ましい。

図５に示すように、チューナー部６３Ｂは、それぞれ２枚のマイクロ波遅波材７２Ｂの間に跨るように上方に配置されている。すなわち、互いに隣接する２枚のマイクロ波遅波材７２Ｂは、１つのチューナー部６３Ｂと上下に重なる位置を基準に、その両側に周方向に延びるように配置されている。上記のとおり、チューナー部６３Ｂの直下位置には隔壁部１１ｅが配置されているため、チューナー部６３Ｂを介して伝送されてきたマイクロ波電力は、隔壁部１１ｅで分離され、その両側のマイクロ波遅波材７２Ｂに均等に分配される。従って、通常はマイクロ波電界が大きくなる傾向があるチューナー部６３Ｂの直下部分の電界強度が大きくならずに、その両側のマイクロ波遅波材７２Ｂに均等に分配され、周方向の電界強度が均一化される。

マイクロ波透過部材７３Ｂは、マイクロ波を透過する材料である誘電体材料で構成されており、図６に示すように、全体として円環状をなしている。かかる形状により、３つのチューナー部６３Ｂを介して伝送されてきたマイクロ波を、共通する一つのマイクロ波透過部材７３Ｂを介して処理容器２内に放射し、周方向に均一な表面波プラズマを形成する機能を有している。

図７は、本実施の形態で用いるマイクロ波透過部材７３Ｂの外観斜視図であり、図８は、マイクロ波透過部材７３Ｂにおける壁部７７を拡大して示す要部斜視図である。壁部７７は、マイクロ波透過部材７３Ｂにおいて、複数のマイクロ波の干渉を抑制する干渉抑制手段として機能する。図７に示すように、マイクロ波透過部材７３Ｂは、板状であり、全体として平面視円環状をなしている。かかる形状のマイクロ波透過部材７３Ｂにおいて、その上面から上方に突出する突起として、壁部７７が３箇所に均等に配設されている。図５に示すように、３つの壁部７７は、チューナー部６３Ｂと上下に重ならない位置において、周方向に１２０度の角度をあけて均等に配置されている。各壁部７７は、マイクロ波透過部材７３Ｂと一体に加工された四角柱形状をなしている。つまり、壁部７７は、１つの上面と４つの側面とを有し、上面及び側面はいずれも長方形をなし、各側面が板状のマイクロ波透過部材７３Ｂの上平面から垂直に立ち上がり、四角柱の突起を形成している。壁部７７は、円環状のマイクロ波透過部材７３Ｂの上面において、その円環部を横断するように径方向に長く延設されている。つまり、壁部７７の長手方向は、マイクロ波透過部材７３Ｂの径方向に一致するように設けられている。

壁部７７は、マイクロ波透過部材７３Ｂの内部を周方向に伝播するマイクロ波を反射波によって打消し、マイクロ波透過部材７３Ｂの内部でのマイクロ波の干渉を抑制する機能を有している。すなわち、本実施の形態のプラズマ処理装置１では、共通する一つのマイクロ波透過部材７３Ｂに対し、天井部１１の周縁部分の上部に設けられた３つのチューナー部６３Ｂを介して伝送されてきた３つのマイクロ波が、マイクロ波遅波材７２Ｂ及びスロットアンテナ部７４Ｂを介して、それぞれ導入される。仮に、壁部７７を具備しないマイクロ波透過部材を用いた場合、３つのマイクロ波の位相がずれると、マイクロ波透過部材の内部でマイクロ波どうしの予測不能な干渉が生じて、電界分布が不均一となり、処理容器２内における周方向のプラズマ分布に偏りが生じるおそれがある。このような不具合を防止するため、本実施の形態では、マイクロ波透過部材７３Ｂの壁部７７がスタブチューナとして機能する。壁部７７によって、マイクロ波透過部材７３Ｂの内部を周方向に伝播するマイクロ波の一部分を打ち消すような反射波が生成され、マイクロ波透過部材７３Ｂの内部でのマイクロ波の干渉を抑制する。つまり、壁部７７は、円環状に一体加工されているマイクロ波透過部材７３Ｂを、マイクロ波の伝播という観点で周方向に分断することによって、複数のマイクロ波の干渉を抑制する。従って、壁部７７を設けたことにより、処理容器２内における周方向のプラズマ分布を均質化し、ウエハＷの面内での処理の均一化を図ることができる。

図７及び図８に示すように、壁部７７は、板状であり、かつ全体として平面視円環状をなすマイクロ波透過部材７３Ｂの円環部の幅方向（つまり、マイクロ波透過部材７３Ｂの径方向）の全部にわたって設けられている。壁部７７の高さＨ１及び厚みＷ１は、マイクロ波透過部材７３Ｂ内部でのマイクロ波の干渉が効果的に抑制されるように、マイクロ波透過部材７３Ｂの内部におけるマイクロ波の実効波長λとの関係を考慮して設定することができ、下式によって示すことができる。
Ｈ１≒（λ／４）×ｆ（Ｗ１)
［ここで、ｆ（Ｗ１）は、Ｗ１の関数を表す。］

なお、壁部７７の形状、高さＨ１、厚みＷ１は、上記例示の態様に限定されるものではない。また、壁部７７の配設数は、３つに限らず、マイクロ波伝送経路の数に応じて設定することができる。

スロットアンテナ部７４Ｂは、導電性部材である天井部１１の一構成部分であり、平板状をなしている。スロットアンテナ部７４Ｂは、チューナー部６３ＢからＴＥＭ波として伝送されてきたマイクロ波をスロット７５ｂによりＴＥ波にモード変換し、マイクロ波透過部材７３Ｂを経て、処理容器２内に放射する。

スロット７５ｂは、図４に示すように、マイクロ波遅波材７２Ｂに接する上面位置から誘電体層７６に接する下面位置まで天井部１１が貫通した孔として形成されている。スロット７５ｂは、チューナー部６３Ｂから伝送されてきたマイクロ波の放射特性を決定する。スロット７５ｂの周囲は、図示しないシール部材によってシールされている。これにより、マイクロ波透過部材７３Ｂがスロット７５ｂを覆って密閉し、真空シールとして機能している。スロット７５ｂの形状および配置によりアンテナ指向性が決定される。スロット７５ｂは円弧状をなし、電界が均一に分散されるように、チューナー部６３Ｂの配置領域に沿って、全体形状が円周状をなすように設けられている。図５に示すように、本実施の形態では、チューナー部６３Ｂの配置領域に沿って、１２個の円弧状のスロット７５ｂが周方向に一列に配置されている。

また、スロット７５ｂは、各マイクロ波遅波材７２Ｂに対応して２つずつ設けられている。一つのスロット７５ｂの円周方向の長さはλ／２が好ましい。ただし、λはマイクロ波の実効波長であり、下式で表すことができる。
λ≒（λ_０／ε_ｓ ^１／２）／｛１−［（λ_０／ε_ｓ ^１／２）／λ_ｃ］^２｝^１／２
［ここで、ε_ｓはスロット７５ｂに充填される誘電体材料の比誘電率、λ_０は真空中のマイクロ波の波長、λ_ｃはカットオフ周波数を意味する。］

複数の誘電体層７６は、図４に示すように、それぞれスロット７５ｂに対応して設けられている。本例では、１２個のスロット７５ｂのそれぞれに対して合計１２個の誘電体層７６が設けられている。隣接する誘電体層７６は金属製の天井部１１により分離されている。誘電体層７６内には、対応するスロット７５ｂから放射されるマイクロ波によって単一ループの磁場を形成させることができ、その下のマイクロ波透過部材７３Ｂにおいて磁場ループのカップリングが生じないようになっている。これにより、複数の表面波モードが出現することを防止し、単一の表面波モードを実現することができる。誘電体層７６の周方向の長さは、複数の表面波モードの出現を防止する観点から、誘電体層７６内のマイクロ波の実効波長をλとしたとき、λ／２以下であることが好ましい。また、誘電体層７６の厚さは、１〜５ｍｍが好ましい。

誘電体層７６は、空気（真空）であってもよく、誘電体セラミックスや樹脂等の誘電体材料であってもよい、誘電体材料としては、例えば、石英、セラミックス、ポリテトラフルオロエチレン等のフッ素系樹脂やポリイミド系樹脂を用いることができる。プラズマ処理装置１が３００ｍｍウエハＷを処理するもので、マイクロ波の波長が８６０ＭＨｚ、マイクロ波遅波材７２Ｂ、マイクロ波透過部材７３Ｂ及びスロット７５ｂ内の誘電体として、誘電率が１０程度のアルミナを用いる場合は、誘電体層７６として空気層（真空層）を好ましく用いることができる。

このように、本実施形態では、複数のスロット７５ｂの下に、各スロット７５ｂに対応して複数の誘電体層７６を互いに分離して設けている。これにより、各スロット７５ｂから放射されたマイクロ波によって、各誘電体層７６内に単一ループの磁場を発生させることができ、それによって、マイクロ波透過部材７３Ｂ内に誘電体層７６の磁場ループに対応する磁場ループが形成され、マイクロ波透過部材７３Ｂ内に磁場カップリングが生じることを防止できる。このため、マイクロ波透過部材７３Ｂ内で磁場ループが生じたり、生じなかったりすることによる複数の表面波モードの出現を防止することができ、モードジャンプが生じない安定したプラズマ処理を実現することができる。

また、スロットアンテナ部７４Ａ，７４Ｂのスロット７５ａ，７５ｂ内は、真空であってもよいが、誘電体材料が充填されていることが好ましい。スロット７５ａ，７５ｂに誘電体材料を充填することにより、マイクロ波の実効波長が短くなり、スロット７５ａ，７５ｂの厚さを薄くすることができる。スロット７５ａ，７５ｂに充填する誘電体材料としては、例えば、石英、セラミックス、ポリテトラフルオロエチレン等のフッ素系樹脂やポリイミド系樹脂を用いることができる。

また、マイクロ波遅波材７２Ａ，７２Ｂは、真空よりも大きい誘電率を有しており、例えば、石英、アルミナなどのセラミックス、フッ素系樹脂、ポリイミド系樹脂などの合成樹脂により構成することができる。マイクロ波遅波材７２Ａ，７２Ｂは、真空中ではマイクロ波の波長が長くなることから、マイクロ波の波長を短くしてアンテナを小さくする機能を有している。また、マイクロ波の位相は、マイクロ波遅波材７２Ａ，７２Ｂの厚みによって変化する。そのため、マイクロ波遅波材７２Ａ，７２Ｂの厚みによってマイクロ波の位相を調整することにより、スロット７５ａ，７５ｂが定在波の腹の位置になるように調整することができる。これにより、スロットアンテナ部７４Ａ，７４Ｂにおける反射波を抑制することができると共に、スロット７５ａ，７５ｂから放射されるマイクロ波の放射エネルギーを大きくすることができる。つまり、マイクロ波のパワーを効率よく処理容器２内に導入することができる。

また、マイクロ波透過部材７３Ａ，７３Ｂは、マイクロ波遅波材７２Ａ，７２Ｂと同様に、例えば、石英、アルミナなどのセラミックス、フッ素系樹脂、ポリイミド系樹脂などの合成樹脂により構成することができる。

上記のように構成されたマイクロ波導入部６Ａ，６Ｂにより、複数のチューナー部６３Ａ，６３Ｂを介して伝送されてきた複数のマイクロ波が、スロットアンテナ部７４Ａ，７４Ｂに達し、スロットアンテナ部７４Ａ，７４Ｂのスロット７５ａ，７５ｂからマイクロ波透過部材７３Ａ，７３Ｂを透過して処理容器２の内部空間に放射される。このとき、天井部１１の周縁部分では、全体として円環状をなすように設けられた複数のスロット７５ｂからマイクロ波が放射され、かつ複数のスロット７５ｂを覆うように円環状にマイクロ波透過部材７３Ｂが設けられているので、上述のとおりマイクロ波遅波材７２Ｂで均一に分配されたマイクロ波電力を、各スロット７５ｂから均一に放射し、さらにマイクロ波透過部材７３Ｂで円周状に広げることができる。このため、マイクロ波透過部材７３Ｂの直下で、円環状に均一なマイクロ波電界を形成することができ、処理容器２内で周方向に均一な表面波プラズマを形成することができる。

＜プラズマ処理の手順＞
プラズマ処理装置１を用いるプラズマ処理は、例えば以下の手順で行うことができる。まず、例えばユーザーインターフェース８２から、プラズマ処理装置１においてプラズマ処理を行うように、プロセスコントローラ８１に指令が入力される。次に、プロセスコントローラ８１は、この指令を受けて、記憶部８３またはコンピュータ読み取り可能な記憶媒体に保存されたレシピを読み出す。次に、レシピに基づく条件によってプラズマ処理が実行されるように、プロセスコントローラ８１からプラズマ処理装置１の各エンドデバイス（例えば、高周波バイアス電源２５、ガス供給装置３ａ、排気装置４、マイクロ波導入装置５等）に制御信号が送出される。

次に、ゲートバルブＧが開状態にされて、図示しない搬送装置によって、ウエハＷがゲートバルブＧおよび搬入出口１２ａを通って処理容器２内に搬入される。ウエハＷは、載置台２１の載置面２１ａに載置される。次に、ゲートバルブＧが閉状態にされて、排気装置４によって、処理容器２内が減圧排気される。次に、ガス供給機構３によって、所定の流量の希ガスおよび処理ガスが、ガス導入部１５を介して処理容器２内に導入される。処理容器２の内部空間は、排気量およびガス供給量を調整することによって、所定の圧力に調整される。

次に、マイクロ波出力部５０において、処理容器２内に導入するマイクロ波を発生させる。マイクロ波出力部５０の分配器５４から出力された複数のマイクロ波は、マイクロ波伝送部６０の複数のアンテナモジュール６１に入力される。このとき、制御部８からの制御信号によって、天井部１１の周縁部分の上部に配置された３つのチューナー部６３Ｂにそれぞれ接続されたアンテナモジュール６１では、位相器６２Ａによって、各アンテナモジュール６１で伝送されるマイクロ波の位相が互いに一致するように制御する。しかしながら、共通する一つのマイクロ波透過部材７３Ｂに対し、天井部１１の周縁部分の上部に設けられた３つのチューナー部６３Ｂを介して伝送されてきた３つのマイクロ波の間で、位相に僅かなずれが発生することがある。このような位相のずれによる電界分布の偏りとプラズマへの影響を回避するため、本実施の形態では、マイクロ波透過部材７３Ｂに壁部７７を設けている。壁部７７によって、マイクロ波透過部材７３Ｂの内部での複数のマイクロ波の干渉を抑制することができる。

各アンテナモジュール６１では、マイクロ波は、アンプ部６２およびチューナー部６３Ａ，６３Ｂを伝搬し、マイクロ波導入部６Ａ，６Ｂに到達する。そして、マイクロ波は、スロットアンテナ部７４Ａ，７４Ｂのスロット７５ａ，７５ｂから、マイクロ波透過部材７３Ａ，７３Ｂを透過して、処理容器２内におけるウエハＷの上方の空間に放射される。このようにして、各アンテナモジュール６１から、それぞれ別々にマイクロ波が処理容器２内に導入される。

上記のように複数の部位から処理容器２内に導入されたマイクロ波は、それぞれ処理容器２内に電磁界を形成する。これにより、処理容器２内に導入された希ガスや処理ガスをプラズマ化する。そして、プラズマ中の活性種、例えばラジカルやイオンの作用によって、ウエハＷに成膜処理やエッチング処理がなされる。

プロセスコントローラ８１からプラズマ処理装置１の各エンドデバイスにプラズマ処理を終了させる制御信号が送出されると、マイクロ波の発生が停止されると共に、希ガスおよび処理ガスの供給が停止されて、ウエハＷに対するプラズマ処理が終了する。次に、ゲートバルブＧが開状態にされて、図示しない搬送装置によって、ウエハＷが搬出される。

次に、本発明の効果を確認したシミュレーション結果について、図９を参照しながら説明する。シミュレーションでは、天井部１１の周縁部分の上部に配置された３つのチューナー部６３Ｂの中の一つのチューナー部６３Ｂを介して導入した１００Ｗのマイクロ波電力が、周方向に１２０°間隔で配置された隣接する他のチューナー部６３Ｂにどの程度伝播するかを調べた。マイクロ波透過部材７３Ｂにおける壁部７７の厚みＷ１を、８ｍｍから１２ｍｍの間で１ｍｍ単位で変化させ、壁部７７の高さＨ１を、３８ｍｍから４３ｍｍまでの間で変化させた場合の結果を図９に示した。図９の縦軸は、マイクロ波電力を導入したチューナー部６３Ｂの全電力量と隣接するチューナー部６３Ｂで検出される電力量との比率（％）を示しており、横軸は壁部７７の高さＨ１を示している。

図９より、２つのチューナー部６３Ｂの間に介在して壁部７７を設け、その高さＨ１と厚みＷ１を適切に設定することによって、隣接するチューナー部６３Ｂへ伝播するマイクロ波電力を効果的に抑制できることが確認された。このシミュレーションでは、壁部７７の厚みＷ１が１２ｍｍ、高さＨ１が４２ｍｍのとき、隣接する他のチューナー部６３Ｂに伝播するマイクロ波電力が最も効果的に抑制された。

本発明によれば、複数のマイクロ波を共通する一つのマイクロ波透過部材７３Ｂを介して処理容器２内に導入するプラズマ処理装置１において、マイクロ波透過部材７３Ｂの内部におけるマイクロ波の干渉を効果的に抑制することができる。従って、プラズマの均一な広がりが確保され、ウエハＷへの処理の均一性を確保できる。

なお、本発明は、上記各実施の形態に限定されず、種々の変更が可能である。例えば、上記実施の形態では、被処理体として半導体ウエハを挙げたが、これに限定されず、例えば液晶ディスプレイ用基板に代表されるＦＰＤ（フラットパネルディスプレイ）基板や、セラミックス基板等の他の基板であってもよい。

また、上記実施の形態では、天井部１１の中央部分にマイクロ波導入部６Ａを有する構成としたが、天井部１１の中央部分には、マイクロ波導入部を設けないことも可能である。

さらに、マイクロ波出力部５０、マイクロ波伝送部６０の構成等は、上記実施形態に限定されるものではない。

１…プラズマ処理装置、２…処理容器、３…ガス供給機構、４…排気装置、５…マイクロ波導入装置、６Ａ，６Ｂ…マイクロ波導入部、８…制御部、１１…天井部、１１ｅ…隔壁部、１４…排気管、１５…ガス導入部、１６…ノズル、２１…載置台、２１ａ…載置面、２４…整合器、２５…高周波バイアス電源、５０…マイクロ波出力部、５１…電源部、５２…マイクロ波発振器、５３…アンプ、５４…分配器、６０…マイクロ波伝送部、６１…アンテナモジュール、６２…アンプ部、６３Ａ，６３Ｂ…チューナー部、６４…スラグチューナ、６５…本体容器、６６…内側導体、７２Ａ，７２Ｂ…マイクロ波遅波材、７３Ａ，７３Ｂ…マイクロ波透過部材、７４Ａ，７４Ｂ…スロットアンテナ部、７５ａ，７５ｂ…スロット、７７…壁部、８１…プロセスコントローラ、８２…ユーザーインターフェース、８３…記憶部、Ｗ…半導体ウエハ

Claims (8)

1. 被処理体を収容する処理容器と、
   前記処理容器の内部に配置され、前記被処理体を載置する載置面を有する載置台と、
   マイクロ波を生成すると共に、該マイクロ波を複数の経路に分配して出力するマイクロ波出力部と、
   前記マイクロ波出力部から出力されたマイクロ波を複数の伝送経路で前記処理容器内へ伝送するマイクロ波伝送部と、
   前記マイクロ波伝送部によって伝送された前記マイクロ波を前記処理容器内に放射するマイクロ波導入部と、
   を備えたプラズマ処理装置であって、
   前記マイクロ波伝送部は、前記複数の伝送経路毎に、前記マイクロ波出力部と前記処理容器内との間のインピーダンスを整合させるチューナー部を有しており、
   前記マイクロ波導入部は、
   前記処理容器の天井部を構成するとともに、前記載置面に対向して設けられた凹部を有する導電性部材と、
   前記導電性部材の一部分をなし、前記マイクロ波伝送部を介して伝送された前記マイクロ波を放射する複数のスロットと、
   前記導電性部材の前記凹部に嵌合し、前記スロットから放射された前記マイクロ波を透過させて前記処理容器内に導入させるマイクロ波透過部材と、
   を有し、
   前記マイクロ波透過部材は、複数の前記伝送経路を介して伝送された複数の前記マイクロ波に共通して設けられているとともに、その内部における複数のマイクロ波の干渉を抑制する干渉抑制手段を有していることを特徴とするプラズマ処理装置。
2. 前記干渉抑制手段が、板状をなす前記マイクロ波透過部材に形成された突起である請求項１に記載のプラズマ処理装置。
3. 前記マイクロ波透過部材は、全体として円環状をなし、前記突起が、前記円環状のマイクロ波透過部材の上面において、その径方向に横断して設けられた壁部である請求項２に記載のプラズマ処理装置。
4. 前記マイクロ波導入部は、さらに、誘電体材料からなる複数のマイクロ波遅波材を備えており、
   前記マイクロ波遅波材は、前記導電性部材において、前記複数のスロットの上部であって前記チューナー部の配置部分と上下に重なる部位を含む円環状をなす領域に沿って全体として円環状に配置されている請求項２又は３に記載のプラズマ処理装置。
5. 前記突起が、前記チューナー部の配置部分と上下に重ならない部位において、隣接する２つの前記マイクロ波遅波材の間に挿入されている請求項４に記載のプラズマ処理装置。
6. 前記複数のスロットと前記マイクロ波透過部材との間に、前記複数のスロットに対応して互いに分離して設けられた複数の誘電体層を有する請求項１から５のいずれか１項に記載のプラズマ処理装置。
7. 前記誘電体層は、空気層または誘電体材料層である請求項６に記載のプラズマ処理装置。
8. 請求項１から７のいずれか１項に記載のプラズマ処理装置を用いて被処理体を処理するプラズマ処理方法。

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