JP2019008945A - アンテナ及びプラズマ処理装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】プラズマの安定性を向上させることが可能なアンテナ及び処理装置を提供する。【解決手段】誘電体窓及び誘電体窓の一方面に設けられたスロット板を備えたアンテナにおいて、スロット板における各スロットSの幅方向の中央位置であり且つ長さ方向の中央位置を基準位置gとする場合、各スロットSの基準位置gは、重心G0を中心とする仮想円上に位置しており、各スロットSの基準位置gと、これらのスロットが属する仮想点G1と、を結ぶ線分は、仮想点G1から放射状に位置し、隣接するこれらの線分間の角度は等しく、且つ、基準位置gにおける各スロットSの長さ方向と、このスロットSが属す上記記線分の成す角度(β1〜β4)は等しい。【選択図】図4
Description
本発明の態様は、アンテナ及びプラズマ処理装置に関する。
従来のプラズマ処理装置は、例えば、特許文献1及び特許文献2に記載されている。これらのプラズマ処理装置は、ラジアルラインスロットアンテナを使用したエッチング装置である。アンテナは、スロット板と誘電体窓を備えており、アンテナにマイクロ波を照射すると、誘電体窓からマイクロ波が処理容器内に放射される。このマイクロ波のエネルギーを受けたガスがプラズマ化し、プラズマが発生する。
しかしながら、従来のアンテナを用いてプラズマを発生させる場合、プラズマの負荷変動などにより、アンテナから放射されるマイクロ波の放射強度や位置が不安定になる場合がある。本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、プラズマの安定性を向上させることが可能なアンテナ及び処理装置を提供することを目的とする。
本願発明者らが鋭意検討を行ったところ、プラズマの安定性は、マイクロ波の形成する定在波の位置や、スロット板の表面電流に依存し、スロット板におけるスロットの位置及び方向が所定条件を満たすことで、その安定性を大きく高めることができることを見出した。
第1の態様に係るアンテナは、誘電体窓及び前記誘電体窓の一方面に設けられたスロット板を備えたアンテナであって、前記スロット板上に、前記スロット板の中央を囲む仮想円上に複数の仮想点を設定し、各仮想点の周囲を囲む仮想環状線を設定し、各仮想環状線に沿って4以上のスロットが配置されてなる集合をスロット群とする場合、それぞれのスロット群において、各スロットの幅方向の中央位置であり且つ長さ方向の中央位置を基準位置とする場合、各スロットの前記基準位置は、前記仮想環状線上に位置しており、各スロットの前記基準位置と、これらのスロットが属する前記仮想点と、を結ぶ線分は、前記仮想点から放射状に位置し、隣接するこれらの線分間の角度は等しく、且つ、前記基準位置における各スロットの長さ方向と、このスロットが属する前記線分の成す角度は等しいことを特徴とする。
上記アンテナによれば、4以上のスロットが上記のように等方的に配置されており、このようなスロット配置においては、スロットからの放射電界が非常に安定する。したがって、プラズマの負荷が変動しても、プラズマを安定して発生させることができる。
特に、同軸の導波路を介してスロット板の中央部へ導入されたマイクロ波は、中央部から放射状に周縁部へと伝播するが、各スロットの位置において定在波が発生し、エネルギーが集中して、プラズマが発生しやすくなる。特定の仮想点を囲む4つ以上のスロット群の基準位置は、この仮想点に対して、回転対称性を有しており、各スロットの周囲において振幅基準位置が律則される放射電界の定在波が、お互いに安定的に重なることとなり、放射電界が強固に安定する。このような安定した放射電界が、スロット板の中央を囲むように円状に配置された仮想点上に位置しているので、スロット板の面内においては、それぞれのスロット群の周囲において、プラズマが安定して発生することとなる。
第2の態様に係るアンテナにおいては、前記スロットの形状は、長さ方向の向きが変化しないように、直線状に延びた形状であることを特徴とする。
スロットの形状としては、様々なものが考えられるが、長さ方向の向きが変化しない形状であれば、スロットの形成が容易であると共に、放射電界の振幅の向きの制御が容易であるという利点がある。
第3の態様に係るアンテナにおいては、前記形状は、長方形又は長孔形状であることを特徴とする。長さ方向の向きが変化しない代表的な形状は長方形であるが、長方形の角部は、空間的な形状として、高周波成分を有するので、角部を丸くした長孔形状としてもよい。この場合には、高周波成分に起因するノイズ的な放射電界の発生を抑制することができる。
第4の態様に係るアンテナにおいては、前記スロットの形状は、円弧形状であることを特徴とする。このような形状は、発生する電界の制御がしやすい。
上述のいずれかのアンテナを用いたプラズマ処理装置は、アンテナと、前記アンテナが取り付けられた処理容器と、前記処理容器の内部に設けられ、前記誘電体窓に対向し、処理される基板が載せられる台と、前記アンテナにマイクロ波を供給するマイクロ波発生器とを備えている。
このプラズマ処理装置は、上述したアンテナと同様に、安定性の高いプラズマを発生することができるため、処理対象の基板に対して、安定した処理を行うことができる。
本発明のアンテナ及びプラズマ処理装置よれば、プラズマの安定性を向上させることができる。
以下、実施の形態に係る、誘電体窓、アンテナ、及びプラズマ処理装置について説明する。同一要素には、同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。
図1は、プラズマ処理装置の概略図である。上下方向をZ軸方向とし、Z軸に垂直な方向をX軸方向とし、X軸及びZ軸の双方に垂直な方向をY軸方向とする。
プラズマ処理装置1は、円筒形状の処理容器2を備える。処理容器2の天井部は誘電体からなる誘電体窓16(天板)で塞がれる。処理容器2は、例えばアルミニウムからなり、電気的に接地される。処理容器2の内壁面は、アルミナなどの絶縁性の保護膜で被覆されている。
処理容器2の底部の中央には、基板としての半導体ウェハ(以下ウェハという)Wを載置するための台3が設けられる。台3の上面にウェハWが保持される。台3は、例えばアルミナや窒化アルミナ等のセラミック材からなる。台3の内部には、電源に接続されたヒータ(図示せず)が埋め込まれ、ウェハWを所定温度に加熱できるようになっている。
台3の上面には、台3に載置されるウェハWを静電吸着する静電チャックCKが設けられる。静電チャックCKには、整合器を介してバイアス用の直流或いは高周波電力(RFパワー)を印加するバイアス用電源が接続される。
処理容器2の底部には、台3に載置されるウェハWの表面よりも下方の排気口から処理ガスを排気する排気管が設けられ、排気管には真空ポンプなどの排気装置10が接続される。排気装置10によって、処理容器2内の圧力が所定の圧力に調節される。
処理容器2の天井部には気密性を確保するためのOリングなどのシールを介して誘電体窓16が設けられる。誘電体窓16は、例えば、石英、アルミナ(Al2O3)、あるいは窒化アルミニウム(AlN)などの誘電体からなり、マイクロ波に対して透過性を有する。
誘電体窓16の上面には、円板形状のスロット板20が設けられる。スロット板20は、導電性を有する材質、例えばAg,Au等でメッキやコーティングされた銅からなる。スロット板20には、その中央を囲むように、複数のスロット群が円状に配列されている。スロット群の数が多い場合には、スロット群を同心円状に配置することも可能である。
スロット板20の上面には、マイクロ波の波長を圧縮するための誘電体板(遅波板)25が配置される。誘電体板25は、例えば、石英(SiO2)、アルミナ(Al2O3)、あるいは窒化アルミニウム(AlN)などの誘電体からなる。誘電体板25は導電性のカバー26で覆われる。カバー26には円環状の熱媒流路が設けられ、この熱媒流路を流れる熱媒によってカバー26及び誘電体板25が所定の温度に調節される。2.45GHzの波長のマイクロ波を例にとると、真空中の波長は約12cmであり、アルミナ製の誘電体窓16中での波長は約3〜4cmとなる。
カバー26の中央には、マイクロ波を伝播する同軸導波管(図示せず)が接続されており、同軸導波管は、内側導体と外側導体から構成される、内側導体は、誘電体板25の中央を貫通してスロット板20の中央に接続される。この同軸導波管には、モード変換器及び矩形導波管を介してマイクロ波発生器35が接続される。マイクロ波は、2.45GHzの他、860MHz,915MHzや8.35GHzなどのマイクロ波を用いることができる。
マイクロ波発生器35が発生したマイクロ波MWは、マイクロ波導入路としての、矩形導波管、モード変換器、同軸導波管を介して、誘電体板25に伝播する。誘電体板25に伝播したマイクロ波MWはスロット板20の多数のスロットから誘電体窓16を介して処理容器2内に供給される。マイクロ波によって誘電体窓16の下方に電界が形成され、処理容器2内の処理ガスがプラズマ化する。すなわち、マイクロ波発生器35からアンテナにマイクロ波MWを供給すると、プラズマが発生する。
スロット板20に接続される上記内側導体の下端は円錐台形状に形成されており、同軸導波管から誘電体板25及びスロット板20にマイクロ波が効率よく損失なく伝播される。
ラジアルラインスロットアンテナによって生成されたマイクロ波プラズマの特徴は、誘電体窓16直下の領域PSM(プラズマ励起領域)で生成された比較的電子温度の高いエネルギーのプラズマが、大きな矢印で示すように下方へ拡散し、ウェハW直上の領域(拡散プラズマ領域)では約1〜2eV程度の低い電子温度のプラズマとなることにある。すなわち、平行平板等のプラズマとは異なり、プラズマの電子温度の分布が誘電体窓16からの距離の関数として明確に生ずることに特徴がある。より詳細には、誘電体窓16直下の領域での数eV〜約10eVの電子温度が、ウェハW直上の領域では約1〜2eV程度に減衰する。ウェハWの処理はプラズマの電子温度の低い領域(拡散プラズマ領域)で行なわれるため、ウェハWへリセス等の大きなダメージを与えることがない。プラズマの電子温度の高い領域(プラズマ励起領域)へ処理ガスが供給されると、処理ガスは容易に励起され、解離される。一方、プラズマの電子温度の低い領域(プラズマ拡散領域)へ処理ガスが供給されると、プラズマ励起領域近傍へ供給された場合に比べ、解離の程度は抑えられる。
処理容器2の天井部の誘電体窓16中央には、ウェハWの中心部に処理ガスを導入する中央導入部55(図10の(B)参照)が設けられ、この中央導入部は処理ガスの供給路に接続される。処理ガスの供給路は上述の同軸導波管の内側導体内の供給路である。
この中央導入部は、誘電体窓16の中央に設けられた円筒形状の空間部143(図10の(B)参照)に嵌め込まれる円柱形状のブロック(図示せず)と、先端部にガス噴出用の開口を有する円柱状空間が連続したテーパ状の空間部143a(図10の(B)参照)とを備えている。このブロックは、例えばアルミニウムなどの導電性材料からなり、電気的に接地されている。アルミニウム製のブロックは、陽極酸化被膜アルミナ(Al2O3)、イットリア(Y2O3)等でコーティングすることができる。ブロックには上下方向に貫通する複数の中央導入口58が形成されおており、ブロックの上面と同軸導波管の内側導体との下面との間には隙間(ガス溜め部)がある。この中央導入口58の平面形状は、必要なコンダクタンス等を考慮して真円又は長孔に形成される。
なお、空間部143aの形状は、テーパ状に限られるものではなく、単なる円柱形状でもよい。
上述のブロック上のガス溜め部に供給された処理ガスは、ガス溜め部内を拡散した後、ブロックに設けられた複数の中央導入口から下方にかつウェハWの中心部に向かって噴射される。
処理容器2の内部には、ウェハWの上方の周辺を囲むように、ウェハWの周辺部に処理ガスを供給するリング形状の周辺導入部を配置することもできる。周辺導入部は、天井部に配置される中央導入口58よりも下方であって、かつ台3に載置されたウェハWよりも上方に配置される。周辺導入部は中空のパイプを環状に配置したものであり、処理容器2の内周側には、周方向に一定の間隔を空けて複数の周辺導入口62が空けられる。周辺導入口62は、環状の周辺導入部の中心に向かって処理ガスを噴射する。周辺導入部は、例えば、石英からなる。処理容器2の側面には、ステンレス製の供給路が貫通しており、この供給路は周辺導入部の周辺導入口62に接続される。供給路から周辺導入部に供給された処理ガスは、その複数の周辺導入口62から周辺導入部の内側に向かって噴射される。複数の周辺導入口62から噴射された処理ガスはウェハWの周辺上部に供給される。なお、リング形状の周辺導入部を設ける替わりに、処理容器2の内側面に複数の周辺導入口62を形成してもよい。
上述の中央導入口58及び周辺導入口62には、ガス供給源100から処理ガスが供給される。ガス供給源100は、共通ガス源及び添加ガス源から構成され、プラズマエッチング処理やプラズマCVD処理などの各種処理に応じた処理ガスを供給する。複数のガス源からのガスの流量を、それぞれの供給路に設けられた流量制御バルブで制御して混合すれば、目的の処理ガスを作成することができる。これらの流量制御バルブは、制御装置CONTによって制御することができる。なお、制御装置CONTは、コンピュータであり、マイクロ波発生器35の起動やウェハWの加熱、排気装置10による排気処理なども制御することができる。
共通ガス源及び添加ガス源からの処理ガスは、目的に応じた適当な比率で混合され、それぞれの中央導入口58及び周辺導入口62に供給される。
例えば、共通ガス源に用いられるガスとしては、希ガス(Arなど)を用いることができるが、その他の添加ガスを用いることもできる。また、ポリシリコン等のシリコン系の膜をエッチングするときは、添加ガスとして、Arガス、HBrガス(又はCl2ガス)、O2ガスを供給し、SiO2等の酸化膜をエッチングするときは、添加ガスとして、Arガス、CHF系ガス、CF系ガス、O2ガスを供給し、SiN等の窒化膜をエッチングするときは、添加ガスとしてArガス、CF系ガス、CHF系ガス、O2ガスを供給する。
なお、CHF系ガスとしてはCH3(CH2)3CH2F、CH3(CH2)4CH2F、CH3(CH2)7CH2F、CHCH3F2、CHF3、CH3F及びCH2F2などを挙げることができる。
CF系ガスとしては、C(CF3)4、C(C2F5)4、C4F8、C2F2、及びC5F8などを挙げることができるが、エッチングに適した解離種が得られるという観点から、C5F8が好ましい。
中央導入口58には中央導入ガスGcが供給され、周辺導入口62には周辺導入ガスGpが供給される。ウェハWの中心部分に供給される中央導入ガスGcと、周辺部分に供給される周辺導入ガスGpのガス種毎の分圧やガス種自体を変化させることもでき、プラズマ処理の特性を多様に変化させることもできる。共通ガス源と添加ガス源で同じ種類のガスを供給することもできるし、共通ガス源と添加ガス源とで違う種類のガスを供給することもできる。
エッチングガスの解離を抑制するためには、共通ガス源からプラズマ励起用ガスを供給し、添加ガス源からエッチングガスを供給してもよい。例えば、シリコン系の膜をエッチングするときは、共通ガス源からプラズマ励起用ガスとしてArガスのみを供給し、添加ガス源からエッチングガスとしてHBrガス、O2ガスのみを供給する等である。共通ガス源はさらに、O2、SF6等のクリーニングガスその他の共通ガスを供給することもできる。また、上記ガスには、いわゆる負性ガスを含んでいてもよい。負性ガスとは、電子エネルギーが10eV以下で電子付着断面積を有するガスのことをいう。例えば、HBrやSF6等が挙げられる。
なお、均一なプラズマの生成、面内均一なウェハWの処理を目的とし、フロースプリッタによって共通ガスの分岐比率を調節し、中央導入口58及び周辺導入口62からのガス導入量を調節する技術をRDC(Radical Distribution Control)と呼ぶ。RDCは、中央導入口58からのガス導入量と、周辺導入口62からのガス導入量との比により表わされる。中央導入口58及び周辺導入口62からチャンバ内部に供給されるガス種が共通である場合が、一般的なRDCである。最適なRDC値は、エッチング対象の膜種や種々の条件により実験的に決定され、均一なエッチングレートを達成することもできる。
上述のように、実施形態に係るアンテナは、誘電体窓16及び誘電体窓16の一方面(処理容器とは反対側の面)に設けられたスロット板20を備えている。なお、図1に示したプラズマ処理装置において、スロット板20を除く構成は、一般的なものであり、種々の態様が可能である。次に、アンテナを構成するスロット板20について説明する。
図2はスロット板の平面図(図2(A):XY平面)、B−B矢印断面図(図2(B):XZ断面)である。
スロット板20は、円形の導電体からなり、その中心には、上記処理ガス供給用のパイプを通すための貫通孔137が設けられている。また、貫通孔137の周囲には、円状にスロット群SG1〜SG6が配置されており、スロット群SG1〜SG6は、貫通孔137を中心として、回転対称性を有している。Z軸回りの回転角依存の少ないプラズマを発生させるためである。なお、各スロット群SG1〜SG6のパターンは、位置に応じて回転角が違うものの、同一である。
なお、スロット板20の周縁部の領域には、スロット板20の周方向の位置決めを容易にするために、板厚方向に貫通するようにして基準孔139が設けられている。すなわち、この基準孔139の位置を目印にして、処理容器2や誘電体窓16に対するスロット板20の周方向の位置決めを行なう。スロット板20は、全体としては、基準孔139を除いて、貫通孔137の重心位置を中心とした回転対称性を有する。同図においては、1つのスロット群は、4つのスロット(貫通孔)を備えているが、スロット数は4以上であってもよい。また、1つのスロット群におけるスロット数は、8個以下が望ましい。
図3はスロット板上のパターンを説明するための平面図(XY平面)である。
1つのスロット群を定義するにあたり、まず、スロット板20上に、スロット板20の中央(図2に示した貫通孔137の重心G0)を囲む仮想円(第1の仮想円C1)上に、複数の仮想点(G1〜G6)を設定する。各仮想点(G1〜G6)の周囲を囲む仮想環状線(第2の仮想円C2)を設定し、各仮想環状線に沿って4以上のスロットS(図4参照)が配置されてなる集合を、それぞれスロット群SG1〜SG6とする。
仮想点G1〜G6は、重心G0の周囲に等間隔に配置されている。すなわち、重心G0と仮想点G6とを結ぶ線分と、重心G0と仮想点G1とを結ぶ線分とは、角度α1(鋭角)を成す。同様に、重心G0と仮想点G1とを結ぶ線分と、重心G0と仮想点G2とを結ぶ線分とは、角度α2(鋭角)を成す。重心G0と仮想点G2とを結ぶ線分と、重心G0と仮想点G3とを結ぶ線分とは、角度α3(鋭角)を成す。重心G0と仮想点G3とを結ぶ線分と、重心G0と仮想点G4とを結ぶ線分とは、角度α4(鋭角)を成す。重心G0と仮想点G4とを結ぶ線分と、重心G0と仮想点G5とを結ぶ線分とは、角度α5(鋭角)を成す。重心G0と仮想点G5とを結ぶ線分と、重心G0と仮想点G6とを結ぶ線分とは、角度α6(鋭角)を成す。ここで、α1=α2=α3=α4=α5=α6であり、α1+α2+α3+α4+α5+α6=360°である。スロット群のパターンは、重心G0に対して、回転対称性を有しているが、それぞれのスロット群の形状は同一である。したがって、代表して1つのスロット群のみについて説明する。
なお、スロット群の数をXとし、第1の仮想円C1の半径をrとし、円周率をπ、マイクロ波の波長をλとした場合、2πr/X=λ×整数となるように設定することが好ましい。なぜならば、周方向における定在波の連続性を持たせるためである。
図4は1つのスロット群のパターンを説明するための図である。
同図に代表されるように、上述のスロットパターンは、それぞれのスロット群において、各スロットSの幅方向の中央位置であり且つ長さ方向の中央位置を基準位置g(スロットの重心)とする場合、各スロットSの基準位置gは、仮想環状線(第2の仮想円C2)上に位置しており、各スロットSの基準位置gと、これらのスロットSが属する仮想点(G1)と、を結ぶ線分は、仮想点(G1)から放射状に位置し、隣接するこれらの線分間の角度(β1、β2、β3、β4)は等しいが、5%程度の誤差を含んでもよい。また、基準位置gにおける各スロットSの長さ方向と、このスロットSが属する前記線分の成す角度は等しいが、5%程度の誤差を含んでもよい。当該角度(90°以下)を、図13(G)に示すように、θ1、θ2、θ3、θ4とすると、図4においては、θ1=θ2=θ3=θ4=90°であるが、5%程度の誤差を含んでもよい。なお、45°<θ1、45°<θ2、45°<θ3、45°<θ4である。また、各スロット群を上下又は左右反転させたパターンも、同様の作用を奏する。
図5は1つのスロット群のパターンを説明するための図である。
このアンテナによれば、4以上のスロットSが等方的に配置されており、このようなスロット配置においては、スロットSからの放射電界が非常に安定する。スロットSの長さ方向の寸法L、幅方向の寸法Wは、L>Wを満たしている。スロットSの幅方向に沿った電界Eは、第2の仮想円C2の中央部において、安定的に重なり、移動しにくい高電界領域Pが形成される。プラズマは、高電界領域Pに対応して発生するため、プラズマの負荷が変動しても、プラズマを安定して発生させることができる。
特に、同軸の導波路を介してスロット板の中央部へ導入されたマイクロ波は、中央部から放射状に周縁部へと伝播するが、各スロットSの位置において定在波が発生し、エネルギーが集中して、プラズマが発生しやすくなる。特定の仮想点G1を囲む4つ以上のスロット群の基準位置gは、この仮想点G1に対して、回転対称性を有しており、各スロットSの周囲において振幅基準位置が律則される放射電界の定在波が、お互いに安定的に重なることとなり、放射電界が強固に安定する。このような安定した放射電界が、スロット板の中央を囲むように円状に配置された仮想点(図3に示す仮想点G0)上に位置しているので、スロット板20の面内においては、それぞれのスロット群の周囲において、プラズマが安定して発生することとなる。
なお、同図では、分かり易くするため、スリットを重心G1から若干離間して表示しているが、第2の仮想円C2の半径は、L/20.5であることが好ましい。これにより、隣接するスロット同士の間隔が重なることないスロットが形成され、安定した放射電界が生成されるものと考えられる。
次に、効果を検証するため、比較例と実施例の対比を行った。
図6は比較例1、比較例2及び実施例1のスロット群のパターンを示す図である。
図6(A)は比較例1のパターンであり、図5に示した実施例1のパターン(図6(C))の上部の2つのスロットのみを備えるものである。図6(B)は比較例2のパターンであり、図5に示した実施例1のパターン(図6(C))の下部の2つのスロットを上下反転させたパターンである。
図6のパターンにおける電界分布を調べるため、図15に示すような簡易的なモデルを作成した。上述のプラズマ処理装置は、誘電体窓上に、金属製のスロット板を配置し、スロット板上に誘電体板(遅波板)を配置している。したがって、簡易的なモデルにおいては、図15に示すように、誘電体窓として厚み15mmのAl2O3(アルミナ)の板を用意し、遅波板として厚み7mmのAl2O3(アルミナ)からなる導波路を用意し、この導波路の下面に薄いスロット板を配置することで、スロット付の導波路を用意した。したがって、このモデルでは、スロット板は、誘電体窓と遅波板を模擬した導波路との間に挟まれることとなる。
図7は、図6に示すスロット群のパターンにおける電界分布を簡易的にシミュレーションして算出した際の構成図と結果である。図7では、色が濃いほど強い電界を示している。
図6に示した導波路の一端からTE10モードのマイクロ波(電力1W)を入力し、誘電体窓の底面(下面)における電界強度分布を算出した。このとき、スロットの長さL=17mm、幅W=6mmであり、上記の簡易的なモデルを用いた実施例1において、仮想円C2の半径は12mmである。
マイクロ波の位置1は、各スロット群の重心位置近傍に、マイクロ波の振幅の腹が位置する場合であり、マイクロ波の位置3は、各スロット群の重心位置近傍に、マイクロ波の振幅の節が位置する場合であり、マイクロ波の位置2は、各スロット群の重心位置近傍に、マイクロ波の振幅の腹及び節の位置の中間位置が位置する場合である。マイクロ波の伝播に揺らぎが出る場合、位置1〜位置3の状態をとることが考えられるが、比較例1及び比較例2と比較して、実施例1の場合には、電界強度の高い領域が、位置1〜位置3の変動に対して、変化しにくいことが分かる。このように、実施例1の場合には、マイクロ波の伝播の揺らぎに対して、電界強度分布のロバスト性が高く、したがって、プラズマ発生領域の変動も少ないことが分かる。
次に、1つのスロット群を回転させた場合の電界強度分布の変化を確認した。
図8は各種条件の場合の電界分布(シミュレーション)を示す図であり、スロット群の回転角度以外の条件は上記と同一であり、マイクロ波の状態は上記の位置1を採用した。同図においても、色が濃いほど強い電界を示している。
比較例1のスロットパターンの場合、回転角度を0°〜75°まで変化させた場合には、電界強度の高い領域の位置が変動するが、実施例1では、ほとんど変動せず、スロット群の重心の近傍に定位している。このように、1つのスロット群を、重心G1(図5参照)を中心に回転させた場合においても、プラズマの発生位置は、ほとんど変わらないことが確認された。
次に、誘電体窓16の例について説明する。
図9は一例に係る誘電体窓の斜視図(A)及び縦断面図(B)である。なお、図9の(A)では、凹部の構造が見えるように、天地を反転させて誘電体窓を示している。
誘電体窓16は、略円板状であって、所定の板厚を有する。誘電体窓16は、誘電体で構成されており、誘電体窓16の具体的な材質としては、石英やアルミナ等が挙げられる。誘電体窓16の上面159上には、スロット板20が設けられる。
誘電体窓16の径方向の中央には、板厚方向、すなわち、紙面上下方向に貫通する貫通孔が設けられている。貫通孔のうち、下側領域は中央導入部55におけるガス供給口となり、上側領域は、中央導入部55のブロックが配置される凹部143となる。なお、誘電体窓16の径方向の中心軸144a(重心G0に一致)を、図9の(B)中の一点鎖線で示す。
誘電体窓16のうち、プラズマ処理装置に備えられた際にプラズマを生成する側となる下側の平坦面146の径方向外側領域には、環状に連なり、誘電体窓16の板厚方向内方側に向かってテーパ状に凹む環状の第1凹部147が設けられている。平坦面146は、誘電体窓16の径方向の中央領域に設けられている。
環状の第1凹部147は、平坦面146の外径領域から外径側に向かってテーパ状、具体的には、平坦面146に対して傾斜する内側テーパ面148、内側テーパ面148から外径側に向かって径方向に真直ぐ、すなわち、平坦面146と平行に延びる平坦な底面149、底面149から外径側に向かってテーパ状、具体的には、底面149に対して傾斜して延びる外側テーパ面150から構成されている。
テーパの角度、すなわち、例えば、底面149に対して内側テーパ面が延びる方向で規定される角度や底面149に対して外側テーパ面150が延びる方向で規定される角度については、任意に定められ、この実施形態においては、周方向のいずれの位置においても同じように構成されている。内側テーパ面148、底面149、外側テーパ面150はそれぞれ滑らかな曲面で連なるように形成されている。なお、外側テーパ面150の外径領域は、外径側に向かって径方向に真直ぐ、すなわち、平坦面146と平行に延びる外周平面152が設けられている。
この外周平面152が誘電体窓16の支持面となり、処理容器2の開口端面を塞ぐことになる。すなわち、誘電体窓16は、外周平面152を円筒形状の処理容器2の上部側の開口端面上に載置するようにして、処理容器2に取り付けられる。
環状の第1凹部147により、誘電体窓16の径方向外側領域において、誘電体窓16の厚みを連続的に変化させる領域を形成して、プラズマを生成する種々のプロセス条件に適した誘電体窓16の厚みを有する共振領域を形成することができる。これにより、種々のプロセス条件に応じて、径方向外側領域におけるプラズマの安定性を確保することができる。
図10は他の一例に係る誘電体窓の斜視図(A)及び縦断面図(B)である。
図10の構造と、図9に示したものとの相違点は、第1凹部147の底面149に、円形の第2凹部153(153a〜153f)が周方向に沿って等間隔に形成されている点であり、その他の構成は、図9と同一である。
上記のように、誘電体窓16のうち、環状の第1凹部147の底面には、板厚方向内方側に向かって凹む第2凹部153(153a〜153f)が設けられている。第2凹部153の平面形状は円形であり、内側の側面は円筒面を構成し、底面は平坦である。円形は無限の角部を有する多角形であるので、第2凹部153の平面形状は、有限の角部を有する多角形とすることも可能であると考えられ、マイクロ波導入時において、凹部内においてプラズマが発生するものと考えられるが、平面形状が円形である場合には、中心からの形状の等価性が高いため、安定したプラズマが発生する。
第2凹部153は、この実施形態においては、合計6つ設けられており、外側のスロット群(図2参照)の数と同一である。6つの第2凹部153a、153b、153c、153d、153e、153fの形状はそれぞれ等しい。すなわち、第2凹部153a〜153fの凹み方やその大きさ、穴の径等については、それぞれ等しく構成されている。6つの第2凹部153a〜153fは、誘電体窓16の径方向の重心(図10(B)における中心軸144aの位置)を中心として、回転対称性を有するように、それぞれ間隔を空けて配置されている。丸穴状の6つの第2凹部153a〜153fのそれぞれの重心(Qとする)は、誘電体窓16の板厚方向から見た場合に、誘電体窓16の径方向の中心(中心軸144a)を中心とした円上に位置している。すなわち、誘電体窓16を径方向の中心(中心軸144a)を中心として、XY平面内で、60度(=360度/6)回転させた場合に、回転させる前と同じ形状となるよう構成されている。
この各第2凹部153の全ての重心を通る円の直径は、この実施形態で約143mmであり、第2凹部153の直径は50mmであり、第1凹部147の底面を基準とした第2凹部153の深さは10mmである。また、第1凹部147の平坦面146を基準とした深さL3は、適切に設定され、この実施形態では32mmとしてある。
第2凹部153の直径、及び、第2凹部153の底面から誘電体窓163の上面までの距離は、例えば、これに導入されるマイクロ波の波長λgの4分の1に設定される。なお、この実施形態においては、誘電体窓16の直径は約460mmである。なお、上記数値は、±10%の変更を許容することもできるが、本装置が動作する条件はこれに限定されるものではなく、プラズマが凹部内に閉じ込められれば装置としては機能する。
誘電体窓16においては中央付近でプラズマ密度が高くなる傾向があるが、本実施形態では、中央を避けた周辺に第2凹部153を設けているため、周辺のプラズマ密度を中心近傍よりも増加させることが可能となるため、面内のプラズマ密度を均一にすることができる。
この第2凹部153a〜153fにより、マイクロ波の電界を当該凹部内に集中させる傾向があり、スロット板の厚み方向から見た場合に、上記のスロット群の重心位置(例:G1)を、誘電体窓の第2凹部の重心(Q)に一致させることにより、誘電体窓16の径方向の周辺領域において、非常に強固なモード固定を行なうことができる。この場合、プロセス条件が種々変更されても、径方向の周辺領域における強固なモード固定の領域を確保することができ、安定で均一なプラズマを発生させることができ、基板処理量の面内均一性を高めることが可能となる。特に、第2凹部153a〜153fは、回転対称性を有するため、誘電体窓16の径方向内側領域において強固なモード固定の高い軸対称性を確保することができ、生成するプラズマにおいても、高い軸対称性を有する。
以上より、このような構成の誘電体窓16は、広いプロセスマージンを有すると共に、生成するプラズマが高い軸対称性を有する。
図11は第2凹部とスロットの関係を説明するための平面図(XY平面)である。
スロット板の厚み方向(Z軸方向)から見た場合に、上記のスロット群の重心位置(G1〜G6)は、誘電体窓の第2凹部153a〜153fの重心(Q)に一致している。この構造により、実施形態のスロット構造と、誘電体窓の第2凹部による電界集中効果との相乗効果によって、より電界が高くなる効果が得られる。
図12は電界分布の一例(シミュレーション)を示す図である。なお、第2凹部の数を6つとし、スロット群の数も6つとし、これらの重心位置を一致させた。なお、各スロット群中には、それぞれの中心を示す目印となるクロスマーク線が別途記入されている。
同図は、一例として、プラズマの電子密度が5×1017m−3の場合における誘電体窓下面での電界強度分布を示している。第2凹部のある領域内において、高電界の領域が固定され、したがって、これに応じて、プラズマが発生する。プラズマの電子密度を1×1017m−3〜9×1017m−3まで、1×1017m−3ずつ変化させて電界分布を測定したが、高電界の領域は移動せず、安定して第2凹部内にとどまることが確認された。
次に、1つのスロット群のパターンについて説明する。
図13は1つのスロット群のパターン例を示す図である。太い線はスロットを示しており、一点鎖線は上記第2の仮想円(C2)を示している。
図13(A)は、上述の実施形態において説明したスロット群のパターンの例である。
図13(B)は、第2の仮想円上に沿った4つのスロットを有するが、各スロットの平面形状が円弧(曲率半径が第2の仮想円と同一)の例である。
図13(C)は、第2の仮想円上に沿った4つのスロットを有するが、各スロットの平面形状が台形の例である。
図13(D)は、上述の実施形態において説明したスロット群のパターンの中心に円径の貫通孔(黒い円の領域)を有する例である。
図13(E)は、第2の仮想円上に沿った4つのスロットを有するが、各スロットの平面形状が円弧(曲率半径が第2の仮想円よりも大きい)の例である。
図13(F)は、第2の仮想円上に沿った4つのスロットを有するが、各スロットの平面形状が円弧(曲率半径が第2の仮想円よりも小さい)の例である。
図13(G)は、上述の通りであるが、第2の仮想円上に沿った4つのスロットを有するが、各スロットの長手方向が、スロットの基準位置における第2の仮想円の接線方向と異なっている例である。
図13(H)は、図13(A)における第2の仮想円を仮想楕円(楕円の長軸>短軸)としたものであり、これに沿った4つのスロットを有する例である。
図13(I)は、第2の仮想円上に沿った5つのスロットを有するが、各スロットの平面形状が円弧(曲率半径が第2の仮想円と同一)の例である。
図13(J)は、図13(A)のスロット群のパターンにおけるスロット数を5つとしたものである。
図13(K)は、図13(A)のスロット群のパターンにおけるスロット数を6つとしたものである。
次に、1つのスロットのパターンについて説明する。
図14は1つのスロットのパターン例を示す図である。
図14(A)に示すように、上述の実施例1におけるスロットSの形状(図5参照)は、長孔形状とした。すなわち、スロットSの形状は、長さ方向の向きが変化しないように、直線状に延びた形状である。スロットの形状としては、様々なものが考えられるが、長さ方向の向きが変化しない形状であれば、スロットの形成が容易であると共に、放射電界の振幅の向きの制御が容易であるという利点がある。
図14(B)に示すように、スロットSの形状が、長方形であれば、幅方向の電界が発生しやすいが、長方形の角部は、空間的な形状として、高周波成分を有するので、図14(A)のように、角部を丸くした長孔形状の方が安定した電界が発生する。
要するに、上記のアンテナにおいて、スロットの形状は、長方形又は長孔形状であることが好ましいが、長孔形状の場合は、高周波成分に起因するノイズ的な放射電界の発生を抑制することができる。
スロットの形状としては、図14(C)に示すように平行四辺形とすることもできるし、図14(D)に示すように台形とすることもでき、図14(E)に示すように円弧形状(弧状のリング)とすることもできる。いずれの形状の場合も、発生する電界の制御がしやすい。なお、各スロットの長さ方向の寸法Lは、幅方向の寸法Wは、マイクロ波の波長λに対して、以下の条件(L≦(3λ/2))を満たすことが好ましい。これを超えて、Lが大きい場合には、マイクロ波の腹の位置がスリット内において複数存在する場合があり、放射電界の制御が難しくなるためである。Wは、スロット板の開口率を決めておいて、適切に変更することができる。
また、図14(A)のスロット形状において、L/W=30mm/11mm、32mm/7mm、26mm/9mm、20mm/12mm、24mm/15mmなどが具体例として、列挙される。なお、上述の通り、第2の仮想円C2の半径は、L/20.5であることが好ましい。また、上述の例において、1つのスロット群の中では、スロット形状は同一だが、異なる群間では、スロット形状もしくは大きさは異なっても良い。また、スリットの角部は、丸みを帯びた形状の他、テーパ形状とすることもできる。角部がアールを有する場合、その曲率半径は、W/2とすることができる。
以上、説明したように、上述のいずれかのスロット板及び誘電体窓を有するアンテナを用いたプラズマ処理装置は、アンテナと、アンテナが取り付けられた処理容器2と、処理容器2の内部に設けられ、誘電体窓に対向し、処理される基板が載せられる台と、アンテナにマイクロ波を供給するマイクロ波発生器とを備えている。このプラズマ処理装置は、上述したアンテナと同様に、安定性の高いプラズマを発生することができるため、処理対象の基板に対して、安定した処理を行うことができる。
なお、スロット幅が狭くなるとそのスロットが形成する定在波の最大電界強度が強くなる傾向がある。電界強度が強くなると、よりその部分でのプラズマ生成の確率が高くなることを意味しており、その場所でのプラズマ生成確率が高くなるということは、他でのプラズマ生成を結果的に抑制させることにつながる。つまりモードのシフトが起こりにくくなり、プラズマの安定性の向上および失火の抑制につながる。
マイクロ波発生器から、必要に応じて、モード変換器、同軸導波管を用いてアンテナへと供給されたマイクロ波は、アンテナの中心部分から放射状にアンテナ外周部に向けて直線的に伝播して、スリット部から直下のプラズマ空間に伝播するものと考えられていたが、実際には、プロセス条件によって伝播方向が変動する。従来技術においては、定常波の節・腹とスリットとの位置関係、直線的でないマイクロ波の伝播成分によって、スリット直下への伝播モードが変化し、安定しなかったが、上述の実施形態においては、各種条件が変動をしても、安定的に放射電界及びプラズマを制御することができる。
147…第1凹部、153…第2凹部、W…ウェハ(基板)、2…処理容器、3…台、1…プラズマ処理装置、16…誘電体窓、20…スロット板、35…マイクロ波発生器、58…中央導入口、62…周辺導入口。
Claims (5)
- 誘電体窓及び前記誘電体窓の一方面に設けられたスロット板を備えたアンテナであって、
前記スロット板上に、前記スロット板の中央を囲む仮想円上に複数の仮想点を設定し、各仮想点の周囲を囲む仮想環状線を設定し、各仮想環状線に沿って4以上のスロットが配置されてなる集合をスロット群とする場合、
それぞれのスロット群において、
各スロットの幅方向の中央位置であり且つ長さ方向の中央位置を基準位置とする場合、
各スロットの前記基準位置は、前記仮想環状線上に位置しており、
各スロットの前記基準位置と、これらのスロットが属する前記仮想点と、を結ぶ線分は、前記仮想点から放射状に位置し、隣接するこれらの線分間の角度は等しく、且つ、
前記基準位置における各スロットの長さ方向と、このスロットが属する前記線分の成す角度は等しい、ことを特徴とするアンテナ。 - 前記スロットの形状は、長さ方向の向きが変化しないように直線状に延びた形状である、ことを特徴とする請求項1に記載のアンテナ。
- 前記形状は、長方形又は長孔形状である、ことを特徴とする請求項2に記載のアンテナ。
- 前記スロットの形状は、円弧形状である、ことを特徴とする請求項1に記載のアンテナ。
- 請求項1〜4のいずれか1項に記載のアンテナと、
前記アンテナが取り付けられた処理容器と、
前記処理容器の内部に設けられ、前記誘電体窓に対向し、処理される基板が載せられる台と、
前記アンテナにマイクロ波を供給するマイクロ波発生器と、
を備えるプラズマ処理装置。
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