JP2021096934A - プラズマ処理装置及びプラズマ処理方法 - Google Patents

プラズマ処理装置及びプラズマ処理方法 Download PDF

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Abstract

【課題】 プラズマの面内均一性を向上可能なプラズマ処理装置及びプラズマ処理方法が期待されている。【解決手段】一つの例示的実施形態において、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、上部電極と、下部電極と、電磁波放射口とを備えている。上部電極は、処理容器内へ処理ガスを吐出可能に設けられている。下部電極は、処理容器内において被処理体を保持可能に設けられている。電磁波放射口は、上部電極の高さ位置と、下部電極の高さ位置との間の高さ位置に設けられ、処理容器の中心方向へ向けて開口している。【選択図】 図１

Description

本開示の例示的実施形態は、プラズマ処理装置及びプラズマ処理方法に関するものである。
特許文献１は、絶縁体を介して、下方向へ電磁波を出射するプラズマ処理装置を開示している。特許文献２は、半導体からなる外側部分と誘電体からなる中心部を有した上部電極の構造を開示している。
特開２００７−２１４５８９号公報 特開２０００−３２３４５６号公報
プラズマの面内均一性を向上可能なプラズマ処理装置及びプラズマ処理方法が期待されている。
一つの例示的実施形態において、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、上部電極と、下部電極と、電磁波放射口とを備えている。上部電極は、処理容器内へ処理ガスを吐出可能に設けられている。下部電極は、処理容器内において被処理体を保持可能に設けられている。電磁波放射口は、上部電極の高さ位置と、下部電極の高さ位置との間の高さ位置に設けられ、処理容器の中心方向へ向けて開口している。
一つの例示的実施形態に係るプラズマ処理装置及びプラズマ処理方法によれば、プラズマの面内均一性を向上させることができる。
図１は、一つの例示的実施形態に係るプラズマ処理装置の縦断面構成を示す図である。 図２は、電磁波放射口近傍の部位の縦断面構成を示す図である。 図３は、比較例に係るプラズマ処理装置の縦断面構成を示す図である。 図４は、距離ｒと正規化したプラズマの電力ＰＡとの関係を示すグラフである。 図５は、距離ｒと正規化したプラズマの電力ＰＡとの関係を示すグラフである。 図６は、Ｌ／Ｄと正規化したプラズマの電力ＰＢとの関係を示すグラフである。 図７は、一つの例示的実施形態に係るプラズマ処理装置の誘電体リング周辺の縦断面構成を示す図である。 図８は、一つの例示的実施形態に係るプラズマ処理装置の誘電体リング周辺の縦断面構成を示す図である。 図９は、一つの例示的実施形態に係るプラズマ処理装置の誘電体リング周辺の縦断面構成を示す図である。 図１０は、下部電極への例示的なバイアス印加の構造を示す図である。
以下、種々の例示的実施形態について説明する。
一つの例示的実施形態において、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、上部電極と、下部電極と、電磁波放射口とを備えている。上部電極は、処理容器内へ処理ガスを吐出可能に設けられている。下部電極は、処理容器内において被処理体を保持可能に設けられている。電磁波放射口は、上部電極の高さ位置と、下部電極の高さ位置との間の高さ位置に設けられ、処理容器の中心方向へ向けて開口している。
電磁波放射口からは電磁波が放射され、電磁波は処理容器の中心方向へと進行する。この電磁波のエネルギーを吸収して、処理容器内の処理ガスはプラズマ化する。電磁波が水平方向に伝播するので、鉛直方向の伝播と比較して、水平面内のプラズマ強度が均一化しやすいという傾向がある。
電磁波放射口が、処理容器の周方向に沿って延びている場合には、周方向のプラズマ強度が均一化するが、電磁波は中心方向へと進行するので、中心において複数の電磁波の重畳が生じ、プラズマ強度が高くなる。そこで、中央の電磁波強度を低下させることが望まれる。
一つの例示的実施形態において、上部電極の外周部の下面には、電磁波反射用の溝が形成されている。外周部の下面に溝を設けると、電磁波は水平方向に進行するばかりでなく、溝の内部にも進行し、溝の深部で反射する。この場合、溝の直下において、電磁波が吸収される比率が高くなり、外周部のプラズマ強度が増加すると共に、外周部におけるエネルギー消費によって、中央におけるプラズマ強度が低下する。したがって、処理容器の径方向のプラズマ強度の均一性が増加する。
一つの例示的実施形態において、溝は、内側内周面と、内側内周面に対向する外側内周面と、溝の深部に位置し内側内周面と外側内周面とを接続する底面とを備えている。溝の内部に進行した電磁波は、内側内周面及び底面よって反射される。
一つの例示的実施形態において、外側内周面は、処理容器の側壁の内周面と面一である。面一でなく段差が存在する場合には、かかる段差部に電磁波による電界が集中する。電界集中により、意図しない放電やプラズマ強度の増加が生じる場合がある。面一である場合には、このような現象を抑制することができる。
一つの例示的実施形態において、溝の内側内周面と溝の下部開口端面との間には、角部が形成されており、この角部は、処理容器の径方向に沿った縦断面内において、丸みを有している。電磁波が処理容器の中心方向に沿って伝播する際、溝の角部が電磁波のスムーズな進行を阻害する傾向がある。角部が丸み（アール）を有している場合には、角部による電磁波進行阻害を抑制し、プラズマ強度の面内均一性を向上させることができる。
一つの例示的実施形態において、溝は、下部電極における被処理体配置領域の外側領域の上方に配置されている。すなわち、溝の直下においては、プラズマ強度が高くなる傾向があるため、溝の位置を、被処理体から遠ざけることで、被処理体上のプラズマ強度の均一性を高めることができる。
一つの例示的実施形態において、溝の深さＬと、溝の幅Ｄは、０．３≦Ｌ／Ｄ≦１．０を満たすことが好ましい。この条件を満たす場合には、プラズマ強度の面内均一性が高くなる。
一つの例示的実施形態において、溝の深さＬと、溝の幅Ｄは、０．４≦Ｌ／Ｄ≦０．９を満たすことが好ましい。この条件を満たす場合には、プラズマ強度の面内均一性が更に高くなる。
一つの例示的実施形態において、プラズマ処理装置は、溝の内面にガス導入口を備える。溝の存在する場所においても、処理ガスを導入することができ、処理容器内の処理ガスの濃度分布や対流を制御することができる。したがって、これらのパラメータを制御することができるので、プラズマの分布をより精密に制御することができる。
一つの例示的実施形態において、円筒形の上部誘電体と、上部誘電体の下部に連続したリング形状の下部誘電体と、を備える誘電体リングを備え、電磁波放射口は、リング形状の下部誘電体の内側面から構成される。誘電体リングから放射される電磁波は、周方向の均一性が高く、プラズマ強度の周方向の均一性が高くなる。上部誘電体から導入された電磁波は、リング形状の下部誘電体内を、その内側面（内側の先端面）に向けて進行する。下部誘電体内における進行の過程で、電磁波による電界の方向が揃ってくる。
一つの例示的実施形態において、誘電体リングの下部誘電体の径方向の幅から、上部誘電体の径方向の幅を減じた寸法は、５ｍｍ〜３０ｍｍである。すなわち、５ｍｍ以上の寸法があれば、電磁波による電界の方向が揃ってくる。３０ｍｍを超えると、電界の方向は揃ってくるが、電磁波強度の減衰や装置の大型化が生じる。
一つの例示的実施形態において、誘電体リングの下部誘電体の外側面と、下面との間には、角部が形成されており、この角部は、処理容器の径方向に沿った縦断面内において、丸みを有している。角部に丸み（アール）がある場合、上部誘電体から下部誘電体に電磁波が移動する場合に、丸みが無い場合よりも、スムーズに電磁波が進行することできる。
一つの例示的実施形態において、上部電極の下面と誘電体リングの下部誘電体の上面とは、同一高さである。すなわち、誘電体リングの下部誘電体の上面より下側から電磁波が放射されるが、上部電極の下面と下部誘電体の上面とは、同一高さであるため、これらの間の高さの違いによる段差部がなく、意図しない放電やプラズマ強度の増加を抑制することができる。
一つの例示的実施形態において、プラズマ処理方法が提供される。プラズマ処理方法は、上述のいずれか一つのプラズマ処理装置内の下部電極上に、被処理体を配置する工程と、上部電極から処理ガスを処理容器の内部に供給する工程と、電磁波放射口から処理容器の内部に電磁波を導入する工程とを備える。
この方法によれば、上述のプラズマ処理装置を用いることにより、プラズマの面内均一性を向上させることができるので、面内均一性の高いプラズマ処理を被処理体に施すことができる。
以下、図面を参照して種々の例示的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ることとし、重複する説明は省略する。
図１は、一つの例示的実施形態に係るプラズマ処理装置の縦断面構成を示す図である。
プラズマ処理装置１００は、上部開口を有する処理容器１と、処理容器１の上部開口を封止する蓋１Ｌと、処理容器１内に配置された載置台２（下部電極、ステージ）と、載置台２の上方に位置するプラズマ発生源とを備えている。プラズマ発生源は、載置台２に対向して配置された上部電極５と、電磁波放射口（高周波放射口）を有する誘電体リング７とを備えている。誘電体リング７の下部の側方端面から、処理容器１の中心方向に向かって、電磁波ＲＦが放射される。誘電体リング７は、電磁波（高周波）の導入部であり、処理容器１の内壁面上には、環状上面を有する段差（リップ）が形成されている。誘電体リング７は、この段差に係合し、この上面上に配置され、この上面によって支持されている。誘電体リング７は、処理容器１の全周に沿って嵌め込まれている。誘電体リング７の内側の先端面に規定される電磁波の放射口は、処理容器１の周方向の全周に亘って設けられている。
載置台２上には、被処理体（基板３）が配置される。基板３としては、プラズマ処理が施されるものであれば、特に限定されないが、半導体基板、ガラスやアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）などの絶縁体基板、又は、金属基板などが挙げられる。
処理容器１の内部のガスは、ガス排気口１９を介して、排気装置２０によって外部に排気することができる。処理容器１の内部には、ガス供給源１８から、供給管１７を介して、処理ガスが供給される。具体的には、上部電極５は、処理ガス分散部（内部空間１６）を有するシャワー構造を有しており、供給管１７は、蓋１Ｌを貫通し、導波路９を横切り、内部空間１６内に連通し接続されている。内部空間１６内に導入された処理ガスは、上部電極５の下部領域に設けられた複数の処理ガス吹き出し口（ガス孔１４）を介して、処理容器１の内部に供給される。本例の上部電極５は、金属製のシャワープレート構造を有しており、処理ガスが導入される内部空間１６と、内部空間１６と処理容器１内の空間とを連通させる複数のガス孔１４とを備えている。上部電極５は、下面に凹部を備えた上部金属部材５Ａと、複数のガス孔１４を備えた下部金属部材５Ｂとからなり、これらの金属部材間の凹部の位置に内部空間１６が形成されている。
上部電極５と、蓋１Ｌの下面、及び処理容器１の内面との間には、導波路９が形成されている。第１高周波電源１１から、第１高周波整合器１０及びアンテナ８を介して、上部電極５の上部に入力された電磁波（例：ＶＨＦ波、ＵＨＦ波などの短波周波数よりも高い周波数の電磁波）は、導波路９を通って放射状に水平方向に進行する。この電磁波は、処理容器１の内面に当たると、下方に進行し、誘電体リング７内を通って、その下部の内側の先端面から放出され、処理容器１の中心軸に向けて水平方向に進行する。
処理ガスが処理容器１内に導入され、排気装置２０によって、プラズマが発生可能な圧力まで処理容器１の内部が減圧された状態で、電磁波が処理容器１の内部に導入されると、上部電極５の下方にプラズマが発生する。プラズマ領域４は、上部電極５の直下に位置することになる。なお、第１高周波電源１１の一方端は、第１高周波整合器１０に接続され、他方端はグランドに接続されている。また、アンテナ８としては、ＶＨＦ波などの電磁波を伝送可能なものであればよく、電磁波伝送部品としては、導波管の他、同軸ケーブルを用いることも可能である。なお、載置台２は、本例では、グランドに電気的に接続されているが、高周波等を印加することも可能である（図１０参照）。
処理容器１において鉛直方向に延びた中心軸をＺ軸とし、Ｚ軸に垂直な軸をＸ軸とし、Ｚ軸及びＸ軸の双方に垂直な軸をＹ軸とする。この場合、ＸＹ平面は水平面を構成する。誘電体リング７の中心軸は、処理容器１の鉛直方向の中心軸（Ｚ軸）に一致している。プラズマ領域４は、上部電極５の直下に位置しており、誘電体リング７の下部の内側の先端部を含む水平面内に位置している。
上部電極５を上方から見た平面形状は円形であり、その中心の位置は、処理容器１の鉛直方向の中心軸（Ｚ軸）の位置に一致している。上部電極５の下面には、必要に応じて、環状の凹部（溝６）が設けられる。溝６は、処理容器１の中心軸を囲むように、環状に形成されており、上部電極５の下方から見た溝６の平面形状は、円環である。
溝６は、下部電極における被処理体配置領域（基板３の直径３００ｍｍ）の外側領域の上方に配置されている。すなわち、溝６の直下においては、プラズマ強度が高くなる傾向があるため、溝６の位置を、基板３から遠ざけることで、基板３上のプラズマ強度の均一性を高めることができる。なお、本例では、溝６は、載置台２の外側領域の上方に配置されている。
以上、説明したように、実施形態に係るプラズマ処理装置１００は、上部電極５と、下部電極（載置台２）と、電磁波放射口（誘電体リング７の下部の内側先端面）とを備えている。上部電極５は、複数のガス孔１４を備えており、処理容器１内へ処理ガスを吐出可能に設けられている。下部電極（載置台２）は、処理容器１内において被処理体を保持可能に設けられている。
図２は、電磁波放射口近傍の部位の縦断面構成を示す図である。
誘電体リング７の下部の内側の先端面７Ｂ３は、電磁波放射口を構成しており、上部電極５の高さ位置（Ｚ軸方向の位置）と、下部電極の高さ位置（Ｚ軸方向の位置）との間の高さ位置に設けられ、処理容器１の中心方向へ向けて開口している。電磁波放射口からは電磁波ＲＦが放射され、電磁波ＲＦは処理容器１の中心方向へと進行する。この電磁波ＲＦのエネルギーを吸収して、処理容器１内の処理ガスはプラズマ化する。電磁波ＲＦが水平方向に伝播するので、鉛直方向の伝播と比較して、高次モードの発生を抑制でき、水平面内（特に周方向）のプラズマ強度が均一化しやすいという傾向がある。
電磁波放射口（先端面７Ｂ３）は、処理容器１の周方向に沿って延びており、周方向のプラズマ強度が均一化する。電磁波ＲＦは処理容器１の中心方向へと進行するので、中心において複数の電磁波の重畳が生じ、プラズマ強度が高くなる。そこで、中央の電磁波強度を低下させることが望まれる。
上部電極５の外周部の下面には、電磁波反射用の溝６が形成されている。外周部の下面に溝６を設けると、電磁波ＲＦは水平方向に進行するばかりでなく、溝６の内部にも進行し、溝６の深部で反射する。この場合、溝６の直下において、電磁波ＲＦが吸収される比率が高くなり、外周部におけるプラズマ強度が増加すると共に、外周部におけるエネルギー消費によって、中心におけるプラズマ強度が低下する。したがって、処理容器１の径方向のプラズマ強度の均一性が増加する。
溝６は、内側内周面６Ａと、内側内周面６Ａに対向する外側内周面６Ｂと、溝６の深部に位置し、内側内周面６Ａと外側内周面６Ｂとを接続する底面６Ｃとを備えている。溝６の内部に進行した電磁波ＲＦは、内側内周面６Ａ及び底面６Ｃよって反射される。
溝６の外側内周面６Ｂは、処理容器１の側壁の内周面１Ａと面一（径方向の位置が同一）である。面一でなく段差が存在する場合には、かかる段差部に電磁波による電界が集中するという不具合がある。単に、溝を設けるとエッジ部（電界が集中する位置）ができる。電界集中により、意図しない放電やプラズマ強度の増加が生じる場合がある。面一である場合には、このような不具合を抑制することができる。
また、溝６におけるプラズマ強度は高くなるので、溝６の水平方向（径方向）の位置は、基板から遠い方が好ましい。これにより、処理容器１の中心側へのプラズマの拡散を抑制することができる。基板設置領域の外側に溝６を設けることで、ガス孔の形成領域を外側へ拡張することができる。
溝６の内側内周面６Ａと溝６の下部開口端面５２との間には、第１角部Ｒ１が形成されており、この第１角部Ｒ１は、処理容器１の径方向に沿った縦断面内において、図２のように、丸みを有している。電磁波ＲＦが処理容器１の中心方向に沿って伝播する際、溝６の第１角部Ｒ１が電磁波ＲＦのスムーズな進行を阻害する傾向がある。第１角部Ｒ１が丸み（アール）を有している場合には、第１角部Ｒ１による電磁波進行阻害を抑制し、プラズマ強度の面内均一性を向上させることができる。第１角部Ｒ１の縦断面内における曲率半径は、溝６の幅Ｄ、及び高さＬの５０％以下である。溝６の幅Ｄが１０ｍｍである場合には、曲率半径は５ｍｍ以下であるが、曲率半径が小さすぎると効果がなく、大きすぎると周辺部において処理ガスに吸収される電磁波エネルギーが小さくなる。したがって、電磁波進行阻害抑制及びエネルギー吸収の観点からは、第１角部Ｒ１の縦断面内における曲率半径は、１ｍｍ〜５ｍｍであることが好ましく、１ｍｍ〜３ｍｍであることが更に好ましい。なお、本例では、上部電極５の直径は３２０〜３６０ｍｍ、被処理体としての基板の直径は３００ｍｍ、処理容器１の内径は３５０〜３８０ｍｍである。
誘電体リング７は、円筒形の上部誘電体７Ａと、上部誘電体７Ａの下部に連続したリング形状の下部誘電体７Ｂとを備えている。上部誘電体７Ａと下部誘電体７Ｂとは、一体化している。電磁波放射口は、リング形状の下部誘電体７Ｂの内側面（先端面７Ｂ３）から構成される。誘電体リング７から放射される電磁波ＲＦは、周方向の均一性が高く、プラズマ強度の周方向の均一性が高くなる。上部誘電体７Ａから導入された電磁波ＲＦは、リング形状の下部誘電体７Ｂ内を、その内側面に向けて進行する。下部誘電体７Ｂ内における進行の過程で、電磁波ＲＦによる電界の方向が揃ってくる。
誘電体リング７の下部誘電体７Ｂの径方向の幅（ＷＢ＋ＷＡ）から、上部誘電体７Ａの径方向の幅ＷＡを減じた寸法の幅ＷＢは、５ｍｍ〜３０ｍｍである。すなわち、幅ＷＢが５ｍｍ以上であれば、電磁波ＲＦによる電界の方向が揃ってくる。幅ＷＢが３０ｍｍを超えると、電界の方向は揃ってくるが、電磁波強度の減衰や装置の大型化が生じる。
誘電体リング７の上部誘電体７Ａの上面７Ａ１から電磁波ＲＦが導入され、下方に向けて進行する。誘電体リング７の下部誘電体７Ｂの外側面７Ｂ４と、下面７Ｂ２との間には、第２角部Ｒ２が形成されている。第２角部Ｒ２は、処理容器１の径方向に沿った縦断面内において、丸みを有している。第２角部Ｒ２に丸み（アール）がある場合、上部誘電体７Ａから下部誘電体７Ｂに電磁波ＲＦが移動する場合に、丸みが無い場合よりも、スムーズに電磁波が進行することできる。アールが大きすぎる場合には、電磁波ＲＦの通路が細くなり伝播しにくい。電磁波進行をスムーズに行うという観点からは、第２角部Ｒ２の縦断面内における曲率半径は、０．５ｍｍ〜３ｍｍであることが好ましく、１ｍｍ〜２ｍｍであることが更に好ましい。
溝６の下部開口端面５２と誘電体リング７の下部誘電体７Ｂの上面７Ｂ１とは、高さが同じである（Ｚ軸方向の位置が同じ）。すなわち、誘電体リング７の下部誘電体７Ｂの上面７Ｂ１より下側から電磁波ＲＦが放射されるが、溝６の下部開口端面５２（上部電極の下面）と下部誘電体７Ｂの上面７Ｂ１とは、同一高さである。したがって、これらの間の高さの違いによる段差部がなく、意図しない放電やプラズマ強度の増加を抑制することができる。
処理容器１は、内周面１Ａ及び外周面１Ｂを備えており、内周面１Ａには環状の段差が設けられており、この段差の上面上に、誘電体リング７の下部誘電体７Ｂの下面７Ｂ２が位置している。なお、この段部の上面と、この上面から上方に向けて連続する側壁の内側円筒面とは、縦断面内において、第２角部Ｒ２に対応するアールを介して接続されている。誘電体リング７の材料は、例えば、Ａｌ２Ｏ３であるが、石英ガラスなどの他の誘電体材料を用いることもできる。誘電体リング７に接する処理容器１及び上部電極５の材料は、金属である。金属の材料としては、鉄、ステンレス鋼又はアルミニウムなどを用いることができる。
上部電極５は、処理ガス分散部としての内部空間１６を有している。ガス孔１４は、内部空間１６の下側を規定する下部金属部材５Ｂの上面５１から、下部金属部材５Ｂの下面５２まで貫通して延びている。内部空間１６内に導入された処理ガスＧＳは、複数のガス孔１４を通って、上部電極５の下方の領域に供給される。先端面７Ｂ３から放射された電磁波（例：ＶＨＦ波）は、供給された処理ガスＧＳにエネルギーを与えつつ、表面波となって、上部電極５の下面に沿って、処理容器１の中心軸に向かって進行する。
なお、溝６の深さＬ（Ｚ軸方向の深さ）と溝６の幅Ｄ（径方向の距離）を調整すると、プラズマ強度の面内均一性を更に向上させることができる。深さＬは０ｍｍ以上２０ｍｍ以下、幅Ｄは０ｍｍ以下２０ｍｍ以下に設定することができる。なお、深さＬ＝０ｍｍの場合は、溝６が無い例である。なお、溝６が無い場合においても、比較例よりは、プラズマ強度の面内均一性を向上させることができる。以下、詳説する。
図３は、比較例に係るプラズマ処理装置の縦断面構成を示す図である。
図３に示したプラズマ処理装置１００は、図１の誘電体リング７に代えて、上部電極５の外周面に当接する誘電体筒７０を備えている。誘電体筒７０の上面から電磁波ＲＦが導入され、下面から下方に向けて放射される。上部電極５は、溝を備えていない。これらの点を除いて、図３に示す比較例のプラズマ処理装置１００は、図１に示したプラズマ処理装置と同一である。
図４は、処理容器の中心からの距離ｒと正規化したプラズマの電力ＰＡとの関係を示すグラフである。
正規化したプラズマの電力ＰＡは、高周波電源からプラズマ処理装置に入力した電力Ｐｉｎに対して、処理ガスが吸収した電力Ｐｌｏｓｓで与えられるものとする（ＰＡ＝Ｐｌｏｓｓ／Ｐｉｎ）。
Ｄａｔａ０は、図３に示した比較例に係るプラズマ処理装置の場合のデータを示し、Ｄａｔａ１は、第１実施例に係るプラズマ処理装置の場合のデータを示している。第１実施例（Ｄａｔａ１）は、図１のプラズマ処理装置において、溝６を備えないものである。
同図に示されるように、比較例（Ｄａｔａ０）の場合、中央近傍におけるプラズマの電力ＰＡが、周辺部と比較して著しく高くなる。一方、第１実施例（Ｄａｔａ１）の場合、中央近傍におけるプラズマの電力ＰＡが、周辺部よりも低くなる。なお、グラフ上の測定点のとしての距離ｒは、ｒ＝２３．７５ｍｍ、ｒ＝４７．５ｍｍ、ｒ＝７１．２５ｍｍ、ｒ＝９５ｍｍ、ｒ＝１１８．７５ｍｍ、ｒ＝１４２．５ｍｍ、ｒ＝１６６．２５ｍｍ、ｒ＝１９０ｍｍである。
比較例（トッププラズマ）においては、上部電極面から電磁波を導入するため、電極の寸法が小さくなり、処理ガスの導入範囲を十分に確保できない。また、比較例のように、誘電体筒７０を用い、上部電極５と基板３との間の距離を近づけ過ぎると、プラズマの均一性の観点からは好ましくない。実施形態（サイドプラズマ）に係るプラズマ処理装置においては、上部電極５に隣接した側壁において、側壁と垂直な方向からＶＨＦ帯の電磁波を導入している。これにより、処理容器１の大きさを変えることなく、上部電極５の外径を大きくでき、プラズマ発生領域及び処理ガスの導入範囲を広げることができる。溝の無いサイドプラズマ構造（第１実施例）の場合においても、比較例と比較して、プラズマ発生領域及び処理ガスの導入範囲を広げることができる。なお、比較例の場合、電磁波の伝搬経路上に形成されたガスの供給管１７の配置等が影響し、周方向のプラズマ均一性が低くなる。一方、実施形態の場合、周方向のプラズマ強度の均一性は、比較例よりも高くなる。
図５は、処理容器の中心からの距離ｒと正規化したプラズマの電力ＰＡとの関係を示すグラフである。
正規化したプラズマの電力ＰＡの定義は、図４の場合と同一である。Ｄａｔａ０は、上述の比較例の場合のデータである。第２実施例（Ｄａｔａ２）は、図１のプラズマ処理装置において、溝６の深さＬと幅Ｄの比率ＲＡ＝Ｌ／Ｄとすると、ＲＡ＝Ｌ／Ｄ＝０．２５としたものである。同様に、第３実施例（Ｄａｔａ３）は、ＲＡ＝Ｌ／Ｄ＝０．５としたものである。第４実施例（Ｄａｔａ４）は、ＲＡ＝Ｌ／Ｄ＝０．７５としたものである。第５実施例（Ｄａｔａ５）は、ＲＡ＝Ｌ／Ｄ＝１．０としたものである。第６実施例（Ｄａｔａ６）は、ＲＡ＝Ｌ／Ｄ＝２．０としたものである。
なお、具体的には、第２実施例では、Ｌ＝５ｍｍ、Ｄ＝２０ｍｍである。第３実施例では、Ｌ＝８ｍｍ、Ｄ＝１６ｍｍである。第４実施例では、Ｌ＝６ｍｍ、Ｄ＝８ｍｍである。第５実施例では、Ｌ＝８ｍｍ、Ｄ＝８ｍｍである。第６実施例では、Ｌ＝２０ｍｍ、Ｄ＝１０ｍｍである。また、グラフ上の測定点のとしての距離ｒは、ｒ＝２３．７５ｍｍ、ｒ＝４７．５ｍｍ、ｒ＝７１．２５ｍｍ、ｒ＝９５ｍｍ、ｒ＝１１８．７５ｍｍ、ｒ＝１４２．５ｍｍ、ｒ＝１６６．２５ｍｍ、ｒ＝１９０ｍｍである。
第２実施例（Ｄａｔａ２）〜第６実施例（Ｄａｔａ６）に示すように、比率ＲＡ＝Ｌ／Ｄを０．２５〜２．０まで変化させると、第３実施例（Ｄａｔａ３）の比率ＲＡ＝Ｌ／Ｄ＝０．５の場合に、中心近傍のプラズマの電力ＰＡが小さくなることが分かる。したがって、径方向の電力分布の平坦性が高くなることが分かる。
かかる観点からは、溝６の深さＬ（Ｚ軸方向の深さ）と、溝６の幅Ｄ（径方向の距離）は、以下の条件を満たすことが好ましい。
０．２５≦ＲＡ＝Ｌ／Ｄ≦２．０
０．２５≦ＲＡ＝Ｌ／Ｄ≦１．０
０．２５≦ＲＡ＝Ｌ／Ｄ≦０．７５
０．５≦ＲＡ＝Ｌ／Ｄ≦０．７５
なお、図４及び図５のグラフによれば、周辺部のプラズマ強度は高くなっているが、少なくとも、基板が存在する例えば直径３００ｍｍ内の領域内でプラズマ強度が均一になっていれば良い（半径ｒは１５０ｍｍ以内）。すなわち、この場合、周辺部においてプラズマ強度が高くても、プラズマ処理には、大きな影響がないと考えられる。
図６は、Ｌ／Ｄに対する正規化したプラズマの電力ＰＢとの関係を示すグラフである。
正規化したプラズマの電力ＰＢは、溝６を有さないプラズマ処理装置において処理ガスが吸収した電力Ｐｒｌに対して、溝を有するプラズマ処理装置において処理ガスが吸収した電力Ｐｒで与えられるものとする（ＰＢ＝Ｐｒ／Ｐｒｌ）。なお、このグラフは、中心近傍領域（ｒ＝２３．７５ｍｍ）の場合のデータを示している。また、溝の無い場合のデータ（Ｌ，Ｄ）＝（０，１）（単位は（ｍｍ））の場合は（Ｌ／Ｄ＝０）とした。その他、Ｌは２ｍｍ〜２０ｍｍ、Ｄは６ｍｍ〜２０ｍｍの間で値を変化させた。各データ（Ｌ，Ｄ）（単位は（ｍｍ））は、以下の通りである。
（Ｌ，Ｄ）＝（０，１）。（Ｌ，Ｄ）＝（２，６）、（２，８）、（２，１０）、（２，１２）、（２，１４）、（２，１６）、（２，１８）、（２，２０）。（Ｌ，Ｄ）＝（４，６）、（４，８）、（４，１０）、（４，１２）、（４，１４）、（４，１６）、（４，１８）、（４，２０）。（Ｌ，Ｄ）＝（５，１０）、（５，２０）。（Ｌ，Ｄ）＝（６，６）、（６，８）、（６，１０）、（６，１２）、（６，１４）、（６，１６）、（６，１８）、（６，２０）、（８，６）。（Ｌ，Ｄ）＝（８，８）、（８，１０）、（８，１２）、（８，１４）、（８，１６）、（８，１８）、８，２０）。（Ｌ，Ｄ）＝（１０，６）、（１０，８）、（１０，１０）、（１０，１２）、（１０，１４）、（１０，１６）、（１０，１８）、（１０，２０）。（Ｌ，Ｄ）＝（２０，１０）、（２０，２０）。
同図から分かるように、中心近傍領域におけるプラズマの電力ＰＢを小さくするためには、溝６の深さＬと、溝の幅Ｄは、０．３≦Ｌ／Ｄ≦１．０を満たすことが好ましい（範囲ＲＧ１）。この条件を満たす場合には、中心近傍領域のプラズマの電力が低下し、プラズマ強度の面内均一性が高くなる。また、溝６の深さＬと、溝の幅Ｄは、０．４≦Ｌ／Ｄ≦０．９を満たすことが好ましい（範囲ＲＧ２）。この条件を満たす場合には、中心近傍領域のプラズマの電力が低下し、プラズマ強度の面内均一性が更に高くなる。
図７は、一つの例示的実施形態に係るプラズマ処理装置の誘電体リング周辺の縦断面構成を示す図である。
図２に示した誘電体リング７の下部の上面７Ｂ１は、上部電極５の下面５２と同一平面内に位置している。図７に示したプラズマ処理装置は、図２に示した誘電体リング７の下部誘電体７Ｂを下方にずらしたものであり、他の構成は図２に示したものと同一である。下部誘電体７Ｂの上面７Ｂ１は、上部電極５の下面５２よりも、距離Ｌ２だけ、下方に位置している。これにより、下部誘電体７Ｂの内側の先端面７Ｂ３（電磁波放射口）は、図２の場合よりも下方に位置することになる。この構成は、プラズマの発生位置を上部電極５から離間させたい場合に有効である。なお、溝６の外側内周面６Ｂは、誘電体リング７の内側の先端面７Ｂ３と同一の径方向位置に位置し、これらは面一となっている。この構造により、不要な電界の集中を抑制することができる。
図７の構造では、電磁波の導入位置は、上部電極５の下面５２の位置から高さ方向に沿って離れている。これにより、径方向のプラズマ強度の偏りが抑制される。電磁波放射口の位置は、上部電極５の下面５２の位置と載置台２の表面との間の位置であれば、どの高さ位置でもよい。
図８は、一つの例示的実施形態に係るプラズマ処理装置の誘電体リング周辺の縦断面構成を示す図である。
図８に示したプラズマ処理装置は、図２に示した溝６の内面に補助ガス孔１４０を設けたものであり、他の構成は図２に示したものと同一である。
すなわち、このプラズマ処理装置は、溝６の内面にガス導入口（補助ガス孔１４０）を備えている。この構成の場合、溝６の存在する場所においても、補助ガス孔１４０を介して、処理ガスＧＳを導入することができ、処理容器１内の処理ガスの濃度分布や対流を制御することができる。したがって、これらの濃度分布や対流といったパラメータを制御することができるので、プラズマの分布をより精密に制御することができる。補助ガス孔１４０は、上部電極５の下部金属部材５Ｂに形成されている。補助ガス孔１４０は、下部金属部材５Ｂの上面５１から溝６の内面まで延びた貫通孔である。この貫通孔の平面形状は多角形や円形であるが、円弧状とすることも可能である。
補助ガス孔１４０の形成位置は、上部金属部材５Ａの側壁の内面からの最短距離が、距離ＷＣだけ離間するように設定されている。距離ＷＣは、例えば、０ｍｍ〜３０ｍｍである。内部空間１６内には、処理ガスが導入され、拡散する。この際、上部金属部材５Ａの内面に沿ったガス流がある場合には、補助ガス孔１４０への処理ガスの導入抵抗は、距離ＷＣが小さいほど小さくなる。したがって、このような場合において、補助ガス孔１４０内に効率的に処理ガスを導入する場合には、距離ＷＣ＝０ｍｍに設定すればよい。凹部を構成する溝６の位置は、処理対象の基板から離れた方がよいため、その外側に位置する補助ガス孔１４０の位置は、処理容器の径方向の寸法に影響を与える。距離ＷＣ＝０ｍｍとすれば、径方向の装置の大きさを小さくすることができる。換言すれば、例えば、平面形状が円弧状の補助ガス孔１４０を用いる場合、上部金属部材５Ａの側壁の内面と、補助ガス孔１４０の外側の内面は面一となる。
図９は、一つの例示的実施形態に係るプラズマ処理装置の誘電体リング周辺の縦断面構成を示す図である。
図９に示したプラズマ処理装置は、図７に示したプラズマ処理装置において、溝６の外部に、図８に示したような補助ガス孔１４０を設けたものであり、他の構成は図７に示したものと同一である。なお、本例では、図８における補助ガス孔の離間距離ＷＣ＝０ｍｍとなる例を図示しているが、図８の場合の距離ＷＣと同様な範囲を設定することも可能である。
誘電体リング７における上部誘電体７Ａの寸法が、図８の場合よりも長く、補助ガス孔１４０は、溝６の外部に設けているので、補助ガス孔１４０のＺ軸方向の長さは、図８の場合よりも長くなる。補助ガス孔１４０を用いることで、濃度分布や対流といったパラメータを制御することができるので、プラズマの分布をより精密に制御することができる。
また、図８及び図９の構造は、縦断面内において２方向に放出される処理ガスの吹き出し口（ガス孔）を備えている。ガス孔は、上部電極５の表面のみ、又は、側壁のみに設ける構成としてもよい。
図１０は、下部電極への例示的なバイアス印加の構造を示す図である。
上述のプラズマ処理装置において、載置台２は、第２高周波整合器１２を介して、第２高周波電源１３に接続することも可能である。第２高周波電源１３は、図１に示した第１高周波電源１１とは周波数を異ならせることができる。この構造の場合、２つの周波数をプラズマ発生用に用いることができるので、処理容器の内部空間における電界の制御種類が増え、さらに精密にプラズマ強度の面内分布を制御することができる。
第２高周波電源１３の周波数は、第１高周波電源１１の周波数よりも低く設定することができる（例えば、２ＭＨｚ）。これはプラズマ中のイオンを基板側に引き込むイオンアシスト構造として機能することができる。本構成は、上述のプラズマ処理装置に適用することができる。
本開示のプラズマ処理方法は、上記のいずれか一つのプラズマ処理装置内の載置台２（下部電極）上に、被処理体を配置する工程と、上部電極５から処理ガスを処理容器１の内部に供給する工程を備える。この方法は、更に、電磁波放射口（誘電体リング７の下部の内側の先端面）から、処理容器１の内部に電磁波を導入する工程とを備える。このプラズマ処理方法によれば、上述のプラズマ処理装置を用いることにより、プラズマの面内均一性を向上させることができるので、面内均一性の高いプラズマ処理を被処理体に施すことができる。
プラズマ処理方法における一例としての処理容器内の圧力は、０．１（Ｔｏｒｒ）（１３．３３（Ｐａ））、導波路内の圧力は７６０（Ｔｏｒｒ）（１０１３（ｈＰａ））とする。第１高周波電源１１の周波数は２２０（ＭＨｚ）、第１高周波電源１１の出力は１０００（Ｗ）、基板３と上部電極５との間の間隔は６０ｍｍ、溝６の深さＬは６ｍｍ、溝の幅Ｄは８ｍｍとする。プラズマ処理には、エッチング処理や堆積処理が知られている。処理対象のＳｉＯ２膜やＳｉ３Ｎ４膜のエッチングガスとしては、ＣＦ、ＣＦ３、Ｃ２Ｆ２、ＣＯ、ＳｉＦ６、ＳｉＣＦなどが知られている。プラズマＣＶＤなどの堆積処理に用いられるガスとしては、Ｓｉを含む膜の成膜の場合には、シラン系のガス（ＳｉＨ４、Ｓｉ２Ｈ６）等を用いることができる。Ｓｉを含む化合物（例えば、窒化珪素）を成膜する場合は、化合物原料（例えば、窒素）を含むガスを更に用いればよい。
なお、上述の実施形態では、ＶＨＦ帯の周波数を例示しているが、高周波電源の周波数としては他の周波数を用いることもできる。短波（ＨＦ）帯の周波数は３ＭＨｚ〜３０ＭＨｚであって波長は１００ｍ〜１０ｍである。ＶＨＦ帯の周波数は３０ＭＨｚ〜３００ＭＨｚであって波長は１０ｍ〜１ｍである。マイクロ波帯に含まれるＵＨＦ帯は３００ＭＨｚ〜３ＧＨｚであって波長は１ｍ〜１０ｃｍである。ＶＨＦ帯の高周波は、導波路の中でも特に電極の表面を伝播する傾向がある。表面波は、上部電極５の下面の周縁部から、中心部へ向かって伝播する。このような周波数帯の場合、径方向のプラズマ強度の均一性を高めるためには、溝６を形成することが有効である。
すなわち、周波数が高くなると、波長が短くなり、処理容器の径方向に沿って波長に応じた電界の腹及び節が生じ、電界分布が不均一となる傾向がある。特に、上部電極５の中心側のプラズマ密度が、周辺部のプラズマ密度よりも高くなる。中心部ではプラズマの抵抗率が低くなり、電流が集中し、電界分布の不均一構造がさらに強まるという傾向がある。
一方、誘電体リング７における電磁波導入口付近の上部電極面に溝６（凹部）を設けることにより、電磁波の反射効果、ラビリンス効果が生じるので、誘電体リング７より、導入されたＶＨＦ波の電界の上部電極５の表面への伝達が抑制される。これにより、選択的に処理容器の周辺部におけるプラズマ密度を高めることができる。その結果、基板３上において、電界分布の偏りを少なくし、基板３の全体に亘って均一なプラズマ処理を行うことができる。
プラズマ処理装置は、比較的低温で良好な反応を行うことができる装置である。上述のプラズマ処理装置は、平行平板方式のプラズマ処理装置等、様々なタイプのプラズマ処理装置に利用することができる。プラズマ処理としては、エッチング、スパッタリング、化学的気相成長（ＣＶＤ）法などの堆積等の処理があり、実施形態に係る装置は、いずれの処理にも、利用することができる。なお、上部電極と下部電極との間のギャップが狭い場合、容量結合プラズマ（ＣＣＰ）が発生する。一方、このギャップが広い場合は、処理容器（チャンバ）の上方空間においてプラズマが発生する。プラズマ処理装置のギャプの最小値は、９ｍｍ〜１３ｍｍのものが知られている。なお、上部電極５の下面に誘電体を設けて波長を変えると、均一性を向上させられると考えられるが、この場合は電極間距離が変わる。上述のプラズマ処置装置は、表面波プラズマが発生する構造において、特に有効である。
近年、デザインルールの微細化に伴い、高密度のプラズマ処理が期待されている。上述のＶＨＦ帯やＵＨＦ帯の高周波を用いたプラズマ発生機構は、高密度のプラズマ処理にとって有用である。また、実施形態に係るプラズマ処理装置は、プラズマ強度の面内均一性を高め、且つ、上部電極５の外径も大きくすることができ、プラズマ発生領域及び処理ガスの導入範囲を広げることができるという利点がある。
以上、種々の例示的実施形態について説明してきたが、上述した例示的実施形態に限定されることなく、様々な省略、置換、及び変更がなされてもよい。また、異なる実施形態における要素を組み合わせて他の実施形態を形成することが可能である。また、以上の説明から、本開示の種々の実施形態は、本明細書において説明されており、本開示の範囲及び主旨から逸脱することなく種々の変更をなし得ることが、理解されるであろう。したがって、本明細書に開示した種々の実施形態は限定することを意図しておらず、真の範囲と主旨は、添付の特許請求の範囲によって示される。
１…処理容器、１Ａ…内周面、１Ｂ…外周面、１Ｌ…蓋、２…載置台、３…基板、４…プラズマ領域、５…上部電極、５Ａ…上部金属部材、５Ｂ…下部金属部材、６…溝、６Ａ…内側内周面、６Ｂ…外側内周面、６Ｃ…底面、７…誘電体リング、７Ａ…上部誘電体、７Ａ１…上面、７Ｂ…下部誘電体、７Ｂ１…上面、７Ｂ２…下面、７Ｂ３…先端面、７Ｂ４…外側面、８…アンテナ、９…導波路、１０…第１高周波整合器、１１…第１高周波電源、１２…第２高周波整合器、１３…第２高周波電源、１４…ガス孔、１６…内部空間、１７…供給管、１８…ガス供給源、１９…ガス排気口、２０…排気装置、５１…上面、５２…下部開口端面（下面）、７０…誘電体筒、１００…プラズマ処理装置、１４０…補助ガス孔、ＧＳ…処理ガス、Ｒ１…第１角部、Ｒ２…第２角部、ＲＦ…電磁波。

Claims (14)

  1. 処理容器内へ処理ガスを吐出可能に設けられた上部電極と、
    前記処理容器内において被処理体を保持可能に設けられた下部電極と、
    前記上部電極の高さ位置と、前記下部電極の高さ位置と、の間の高さ位置に設けられ、前記処理容器の中心方向へ向けて開口する電磁波放射口と、
    を備えるプラズマ処理装置。
  2. 前記上部電極の外周部の下面には、電磁波反射用の溝が形成されている、
    請求項１に記載のプラズマ処理装置。
  3. 前記溝は、
    内側内周面と、
    前記内側内周面に対向する外側内周面と、
    前記溝の深部に位置し前記内側内周面と前記外側内周面とを接続する底面と、
    を備えている、
    請求項２に記載のプラズマ処理装置。
  4. 前記外側内周面は、前記処理容器の側壁の内周面と面一である、
    請求項３に記載のプラズマ処理装置。
  5. 前記溝の前記内側内周面と前記溝の下部開口端面との間には、角部が形成されており、この角部は、前記処理容器の径方向に沿った縦断面内において、丸みを有している、
    請求項３又は請求項４に記載のプラズマ処理装置。
  6. 前記溝は、前記下部電極における被処理体配置領域の外側領域の上方に配置されている、
    請求項３〜５のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。
  7. 前記溝の深さＬと、前記溝の幅Ｄは、
    ０．３≦Ｌ／Ｄ≦１．０
    を満たす、
    請求項２〜６のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。
  8. 前記溝の深さＬと、前記溝の幅Ｄは、
    ０．４≦Ｌ／Ｄ≦０．９
    を満たす、
    請求項２〜６のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。
  9. 前記溝の内面にガス導入口を備える、
    請求項２〜８のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。
  10. 円筒形の上部誘電体と、
    前記上部誘電体の下部に連続したリング形状の下部誘電体と、
    を備える誘電体リングを備え、
    前記電磁波放射口は、リング形状の前記下部誘電体の内側面から構成される、
    請求項１〜９のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。
  11. 前記誘電体リングの前記下部誘電体の径方向の幅から、前記上部誘電体の径方向の幅を減じた寸法は、５ｍｍ〜３０ｍｍである、
    請求項１０に記載のプラズマ処理装置。
  12. 前記誘電体リングの前記下部誘電体の外側面と、下面との間には、角部が形成されており、この角部は、前記処理容器の径方向に沿った縦断面内において、丸みを有している、
    請求項１０又は請求項１１に記載のプラズマ処理装置。
  13. 前記上部電極の下面と前記誘電体リングの前記下部誘電体の上面とは、同一高さである、請求項１０〜１２のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。
  14. 請求項１〜１３のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置内の前記下部電極上に、前記被処理体を配置する工程と、
    前記上部電極から前記処理ガスを前記処理容器の内部に供給する工程と、
    前記電磁波放射口から前記処理容器の内部に電磁波を導入する工程と、
    を備えたプラズマ処理方法。
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