JP2022039821A - プラズマ処理装置、プラズマ処理方法、および誘電体窓 - Google Patents

Abstract

【課題】高電子密度領域でも局在化されたプラズマを生成することができるプラズマ処理装置およびプラズマ処理方法、ならびに誘電体窓を提供する。
【解決手段】プラズマ処理装置１００は、基板Ｗにプラズマ処理を施す処理空間１５および電磁波を合成する合成空間１４を有するチャンバ１と、処理空間１５と合成空間１４とを仕切る誘電体窓１３と、合成空間１４に電磁波を放射する複数のアンテナ３６を有し、フェーズドアレイアンテナとして機能するアンテナユニット２と、アンテナユニット２に電磁波を出力する電磁波出力部３と、アンテナユニット２をフェーズドアレイアンテナとして機能させる制御部４とを有し、誘電体窓１３は、処理空間側の面に複数の凹部１６を有する。
【選択図】図１

Description

本開示は、プラズマ処理装置、プラズマ処理方法、および誘電体窓に関する。

電磁波のパワーによりガスをプラズマ化し、チャンバ内で半導体ウエハ等の基板にプラズマ処理を行うプラズマ処理装置が知られている。例えば、特許文献１には、このようなプラズマ処理装置において、フェーズドアレイのマイクロ波アンテナを用いて処理チャンバ内の半導体基板上での反応速度を修正する方法が記載されている。具体的には、処理チャンバ内でプラズマを励起し、マイクロ波アンテナのフェーズドアレイからマイクロ波放射ビームを放射し、処理チャンバ内の半導体基板の表面上で反応速度を変化させるように、ビームをプラズマに方向付けることが記載されている。

特開２０１７－１０３４５４号公報

本開示は、高電子密度領域でも局在化されたプラズマを生成することができるプラズマ処理装置およびプラズマ処理方法、ならびに誘電体窓を提供する。

本開示の一態様に係るプラズマ処理装置は、基板にプラズマ処理を施す処理空間および電磁波を合成する合成空間を有するチャンバと、前記処理空間と前記合成空間とを仕切る誘電体窓と、前記合成空間に電磁波を放射する複数のアンテナを有し、フェーズドアレイアンテナとして機能するアンテナユニットと、前記アンテナユニットに電磁波を出力する電磁波出力部と、前記アンテナユニットをフェーズドアレイアンテナとして機能させる制御部と、を有し、前記誘電体窓は、前記処理空間側の面に複数の凹部を有する。

本開示によれば、高電子密度領域でも局在化されたプラズマを生成することができるプラズマ処理装置およびプラズマ処理方法、ならびに誘電体窓が提供される。

一実施形態に係るプラズマ処理装置を示す断面図である。 電磁波放射部の詳細を示す断面図である。 図１のプラズマ処理装置におけるアンテナモジュールの配置を模式的に示す図である。 図１のプラズマ処理装置における電磁波出力部の構成を示すブロック図である。 誘電体窓の凹部の機能を説明するための図である。 低密度プラズマの場合の電磁波とプラズマの関係を示す図である。 高密度プラズマの場合の電磁波とプラズマの関係を示す図である。 誘電体窓からｚ方向の電子密度の実測データを示す図である。 誘電体窓の凹部とプラズマの関係を模式的に示す図である。 誘電体窓の凹部を示す底面図である。 誘電体窓の凹部の形状の例を示す断面図である。 誘電体窓における凹部の配置例を示す図である。 誘電体窓における凹部の配置例を示す図である。 一実施形態に係るプラズマ処理装置の処理状態を説明するための断面図である。 一実施形態に係るプラズマ処理装置の電磁波の集光原理を説明するための模式図である。 電磁波放射位置ｘから放射された電磁波の位置Ｏにおける位相δ（ｘ）を座標表示した図である。 各アンテナの配置と位置Ｏにおける位相を示す模式図である。 位相制御により誘電体窓の集光部分をスキャンさせる状態を示す模式図である。 ガス導入部の他の例を示す断面図である。

以下、添付図面を参照して実施形態について具体的に説明する。

＜プラズマ処理装置＞
図１は、一実施形態に係るプラズマ処理装置を示す断面図である。
本実施形態のプラズマ処理装置１００は、電磁波（マイクロ波）によって表面波プラズマを形成し、形成されたプラズマ（主に表面波プラズマ）により基板Ｗに対して成膜処理やエッチング処理等のプラズマ処理を施すものである。基板Ｗとしては典型例として半導体ウエハを挙げることができるが、これに限らず、ＦＰＤ基板やセラミックス基板等の他の基板であってよい。

プラズマ処理装置１００は、チャンバ１と、アンテナユニット２と、電磁波出力部３と、制御部４とを有する。

チャンバ１は、略円筒状をなし、上部が開放された容器部１１と、容器部１１の上部開口を閉塞する天板１２とを有する。チャンバ１は、アルミニウム、ステンレス鋼等の金属材料で形成されている。

チャンバ１内の空間は、誘電体窓１３で上下に仕切られており、誘電体窓１３の上側の空間が電磁波を合成する合成空間１４、下側の空間が基板Ｗに対してプラズマ処理を行う処理空間１５となっている。

合成空間１４は大気空間であり、アンテナユニット２の後述する複数のアンテナから合成空間１４に電磁波が放射され、放射された電磁波が合成される。

誘電体窓１３は、誘電体からなり、処理空間１５側の面には複数の凹部１６が形成されている。なお、誘電体窓１３については後で詳細に説明する。

処理空間１５には基板Ｗを水平状態で載置する円板状をなすステージ２１が設けられ、その中に基板Ｗを処理するための表面波プラズマが形成される。処理空間１５は、プラズマ処理中には真空状態にされる。

ステージ２１は、絶縁部材２２を介して立設された筒状の支持部材２３により支持されている。ステージ２１を構成する材料としては、表面が陽極酸化処理されたアルミニウム等の金属やセラミックス等の誘電体部材が例示される。ステージ２１には、基板Ｗを静電吸着するための静電チャック、温度制御機構、基板Ｗの裏面に熱伝達用のガスを供給するガス流路等が設けられてもよい。

また、プラズマ処理によっては、ステージ２１に整合器を介して高周波バイアス電源が電気的に接続されてもよい。高周波バイアス電源からステージ２１に高周波電力が供給されることにより、基板Ｗ側にプラズマ中のイオンが引き込まれる。

チャンバ１の底部には排気管２４が接続されており、排気管２４には圧力制御バルブや真空ポンプを含む排気装置２５が接続されている。排気装置２５を作動させるとチャンバ１の処理空間１５内が排気され、所定の真空度まで減圧される。チャンバ１の側壁には、基板Ｗの搬入および搬出を行うための搬入出口２６と、搬入出口２６を開閉するゲートバルブ２７とが設けられている。

チャンバ１側壁の誘電体窓１３の下方位置には、ガス導入部として、内部にリング状のガス流路が形成され、当該ガス流路からその内側に開口する複数のガス吐出孔を有するシャワーリング２８が設けられており、シャワーリング２８にはガス供給機構２９が接続されている。ガス供給機構２９からは、プラズマ生成ガスとして用いられるＡｒガスのような希ガス、およびプラズマ処理のための処理ガスが供給される。

アンテナユニット２は、電磁波出力部３から出力された電磁波をチャンバ１の上方からチャンバ１内の合成空間１４に放射するものであり、複数のアンテナモジュール３１を有している。アンテナモジュール３１は、位相器３２と、アンプ部３３と、電磁波放射部３４とを有する。電磁波放射部３４は、アンプ部３３で増幅した電磁波を伝送する伝送路３５と、伝送路３５から延び、合成空間１４に電磁波を放射するアンテナ３６を有する。アンテナモジュール３１の位相器３２とアンプ部３３は、チャンバ１の上方に設けられている。図１では、アンテナ３６としてヘリカルアンテナを用いた例を示している。ヘリカルアンテナは一例に過ぎずこれに限るものではないが、ヘリカルアンテナは、軸方向への指向性が高く、アンテナ間の相互結合が少ないため好ましい。

位相器３２は、電磁波の位相を変化させるものであり、アンテナ３６から放射される電磁波の位相を進めたり遅らせたりして位相を調整できるように構成されている。位相器３２により電磁波の位相を調整することにより、複数のアンテナ３６から放射される電磁波の干渉を利用して誘電体窓１３の所望の位置に電磁波を集中させることが可能である。

アンプ部３３は、可変ゲインアンプ、ソリッドステートアンプを構成するメインアンプ、およびアイソレータを有している。可変ゲインアンプは、メインアンプへ入力する電磁波の電力レベルを調整し、個々のアンテナモジュール３１のばらつきを調整または電磁波強度調整のためのアンプである。メインアンプは、例えば、入力整合回路と、半導体増幅素子と、出力整合回路と、高Ｑ共振回路とを有する構成とすることができる。アイソレータは、アンテナ３６で反射してメインアンプに向かう反射電磁波を分離するものである。

電磁波放射部３４の伝送路３５は天板１２にはめ込まれており、伝送路３５の下端が天板の内壁と同じ高さとなっている。アンテナ３６は伝送路３５の下端から、その軸が鉛直方向になるように合成空間１４内へ延びている。すなわち、アンテナ３６は、合成空間１４の上壁の内面から合成空間１４内に延びている。アンテナ３６としては、銅や真鍮、または銀めっきされたアルミニウム等を用いることができる。

図２に示すように、伝送路３５は、中心に配置された内側導体４１と、その周囲に配置された外側導体４２と、これらの間に設けられたテフロン（登録商標）等の誘電体部材４３とを有し、同軸ケーブル状をなしている。符号４４はスリーブである。アンテナ３６は、内側導体４１に接続されている。

複数のアンテナモジュール３１（電磁波放射部３４）は天板１２に対して均等に設けられる。アンテナモジュール３１の数は、適切なプラズマが形成されるような適宜の数に設定される。本例では、図３に示すように、アンテナモジュール３１（電磁波放射部３４）は７つ設けられている（図１では３つのみ図示）。

各アンテナモジュール３１の位相器３２によりアンテナ３６から放射される電磁波の位相を調整することにより、電磁波の干渉を生じさせ、誘電体窓１３の任意の部分に電磁波を集中させることが可能となっている。すなわち、アンテナユニット２はフェーズドアレイアンテナとして機能する。

電磁波出力部３は、図４に示すように、電源５１と、発振器５２と、発振された電磁波を増幅するアンプ５３と、増幅された電磁波を各アンテナモジュール３１に分配する分配器５４とを有しており、各アンテナモジュール３１に電磁波を出力する。

発振器５２は電磁波を例えばＰＬＬ発振させる。電磁波としては、例えば８６０ＭＨｚの周波数のものを用いる。電磁波の周波数としては、８６０ＭＨｚの他に、３００ＭＨｚから３ＧＨｚの範囲のマイクロ波帯の周波数を好適に用いることができる。分配器５４は、アンプ５３で増幅された電磁波を分配する。

制御部４は、ＣＰＵを有しており、プラズマ処理装置１００における各構成部を制御する。制御部４は、プラズマ処理装置１００の制御パラメータおよび処理レシピを記憶した記憶部や、入力手段、ディスプレイ等を備えている。制御部４は、電磁波出力部３のパワーやガス供給機構２９からのガスの供給等を制御する。また、制御部４は、各アンテナモジュール３１の位相器３２に制御信号を出力し、各アンテナモジュール３１の電磁波放射部３４（アンテナ３６）から放射される電磁波の位相を制御し、電磁波に干渉を生じさせて誘電体窓１３の所望部分に電磁波を集光するように制御する。つまり、制御部４はアンテナユニット２をフェーズドアレイアンテナとして機能させるように制御する。なお、以下の説明では、移相制御により所望部分に電磁波を集中させることを集光と表現する。

制御部４による位相器３２の制御は、例えば、予め、記憶部に各アンテナモジュールの位相と電磁波の集光位置の関係を示すテーブルを複数記憶させておき、高速でテーブルを切り替えることにより行うことができる。

なお、アンテナユニット２、電磁波出力部３、および制御部４は、プラズマ処理のためのプラズマを生成するプラズマ源を構成する。

＜誘電体窓＞
次に、誘電体窓１３について説明する。
誘電体窓１３は、合成空間１４で合成された電磁波を透過する機能を有する。誘電体窓１３を構成する誘電体としては、例えば、石英、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）等のセラミックス、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挙げることができる。

誘電体窓１３の処理空間１５側の面に形成される複数の凹部１６は、図５に示すように、誘電体窓１３を透過した電磁波によりその中にプラズマＰが生成され、プラズマＰを閉じ込める機能を有する。すなわち、合成空間１４で合成され誘電体窓１３の所望位置に集光された電磁波は、誘電体窓１３を透過して処理空間１５に達し、凹部１６内にプラズマＰを生成するが、凹部１６はその生成されたプラズマＰを閉じ込め、面内方向に広がることを阻止する。

通常の平板の誘電体窓を用いた場合、生成されるプラズマが低プラズマ密度（低電子密度）では、図６に示すように、誘電体窓１３´を透過した電磁波Ｅはある程度処理空間１５のプラズマＰ内に浸透し、面内方向への広がりはあまり大きくない。しかし、プラズマ密度が上昇し、周波数に依存する以下の式で表されるカットオフ密度ｎ_ｃを超える高プラズマ密度（高電子密度）になると、図７に示すように、プラズマＰ中に浸透する電磁波Ｅが減衰し、電磁波の面方向の広がりが大きくなる。このように、プラズマの面方向への広がりが大きくなると、フェーズドアレイアンテナの目的である局在化されたプラズマを生成することが難しくなる。

例えば、電磁波の周波数が８６０ＭＨｚの場合、ｎ_ｃは９．１７４３×１０^９［ｃｍ^－３］となる。

そのため、本実施形態では、誘電体窓１３の処理空間１５側の面に複数の凹部１６を設けることにより、その中にプラズマが生成されるようにし、プラズマを閉じ込めてプラズマの面方向への広がりを抑制する。この凹部１６の効果は、低密度プラズマでも発揮されるが、特に、プラズマ密度がカットオフ密度ｎ_ｃを超える高プラズマ密度のプラズマを生成する場合に有効である。

凹部１６の深さは、プラズマを閉じ込めることが可能な深さにすることが好ましい。Ａｒガスのプラズマで、６７Ｐａでの電子密度の実測データは、図８に示すようになり、電子密度は誘電体窓から１８ｍｍの位置で最大値をとる。このため、図９に示すように、凹部１６の深さが１８ｍｍ以上でプラズマが凹部に閉じ込められる。したがって、凹部の深さは１８ｍｍ以上であることが好ましい。

凹部１６の大きさは特に限定されるものではなく、要求されるプラズマの大きさに応じて適宜設定することができる。また、凹部１６の形状についても特に限定されるものでないが、底面図である図１０に示すように、平面形状が円形のものが好ましい。また、凹部１６の縦断面形状は、図１１（ａ）に示すように、ストレート形状（円筒形状）であってよい。また、図１１（ｂ）のように、処理空間１５側の間口が広いコーン形状であってよい。コーン形状は角が９０°よりも広いため放電が安定する。また同様に放電を安定させる観点から図１１（ｃ）のように角部が丸みを有する形状、または図１１（ｄ）に示すような面取りされた形状であってもよい。

また、凹部１６の数やピッチについても特に限定されるものではなく、目的とする局所プラズマを生成しつつ、基板Ｗの全面に均一なプラズマが生成されるように適宜設定することができる。例えば、凹部１６の中心間距離であるピッチは５６ｍｍ以下が好ましく、凹部１６の数は、基板Ｗが３００ｍｍウエハの場合、３７個以上とすることが好ましい。凹部１６は、基板Ｗの配置領域において、均一に設けられていることが好ましい。特に、基板Ｗの配置領域を、プラズマを生成する領域に応じて複数に区画した場合に、各区画の凹部１６の数が同数であることが好ましい。また、誘電体窓１３の凹部１６が形成されている領域は、基板Ｗの配置領域よりも広いことが好ましい。

誘電体窓１３における凹部１６の配置例を図１２および図１３に示す。これらはいずれも基板Ｗが３００ｍｍウエハに対応する場合を示す。図１２は、凹部１６の個数が３７個、凹部のピッチが５６ｍｍ、凹部１６がコーン形状で間口の直径が３６ｍｍの例を示す。図１３は、凹部１６の個数が８７個、凹部のピッチが４０ｍｍ、凹部１６がコーン形状で間口の直径が２４ｍｍの例を示す。図１２の例では、例えば一つの区画を一辺が５６ｍｍの六角形とした場合、全ての区画において凹部１６の数が７個となり、均一にすることができる。また、図１３の例では、例えば一つの区画を一辺が４０ｍｍの六角形とした場合、全ての区画において凹部１６の数が７個となり、均一にすることができる。なお、図１２、１３の破線は、基板Ｗの位置を示している。

本実施形態においては、電磁波の干渉を利用して、電磁波の集光部分を移動させ、集光部分に対応する凹部１６にプラズマを生成するが、ある時点での集光部分に対応するプラズマは、一つの凹部１６だけではなく、その周囲の凹部１６に生成されてもよい。この場合は、中心となる凹部１６のプラズマ強度が高く、その周囲の凹部１６のプラズマ強度は低くなる。

＜プラズマ処理方法＞
次に、以上のように構成されるプラズマ処理装置１００によるプラズマ処理方法について説明する。以下の動作は、制御部４による制御に基づいてなされる。

最初に、ゲートバルブ２７を開けてチャンバ１に隣接する真空搬送室から搬送装置（いずれも図示せず）により搬入出口２６を介して基板Ｗを真空排気されたチャンバ１の処理空間１５に搬入し、ステージ２１上に載置する。

ゲートバルブ２７を閉じた後、排気装置２５により処理空間１５を所定の真空圧力に調整し、ガス導入機構２９から処理空間１５内にプラズマ処理のためのガスを導入しつつ、電磁波出力部３から電磁波を出力する。電磁波出力部３から出力された電磁波は、アンテナユニット２の複数のアンテナモジュール３１に供給され、複数のアンテナモジュール３１の電磁波放射部３４からチャンバ１の合成空間１４に放射される。

このとき、図１４に示すように、制御部４から位相器３２に制御信号を出力することにより、各アンテナモジュール３１の電磁波放射部３４（アンテナ３６）から放射される電磁波Ｅの位相を制御する。すなわち、アンテナユニット２をフェーズドアレイアンテナとして機能させる。これにより、合成空間１４で電磁波の干渉を生じさせて、誘電体窓１３の所望部分に電磁波Ｅの集光部分、つまり電磁波強度が高い部分を形成するとともに、電磁波放射部３４から放射される電磁波Ｅの位相制御により、電磁波の集光部分を高速で移動させることができる。このように、単位時間および単位面積当たりの電磁波分布を制御することにより、単に複数の電磁波放射部３４から電磁波を放射する際の電磁波放射部３４の物理配置に依存した不均一な電磁波分布を解消して、均一な電磁波分布とすることができる。

誘電体窓１３に集光された電磁波は、誘電体窓１３を透過し、その電界により処理空間１５における集光部分の直下位置に局在化されたプラズマを生成し、電磁波集光部分の高速移動にともなう局在化されたプラズマの高速移動により、全体として均一なプラズマ生成が期待される。

また、誘電体窓１３の一つの位置に着目すると、高速位相制御によって、電界が集中するタイミングと電界のないタイミングが存在する。これにより、通常のマイクロ波プラズマよりさらに低ダメージの疑似的なパルスプラズマを生成することが期待される。

ところで、誘電体窓１３を透過した電磁波は、誘電体窓１３の直下で表面波として面内方向に広がり処理空間１５には表面波プラズマが生成される。このとき、プラズマ密度が低ければ、上述した図６に示すように、電磁波Ｅはある程度プラズマＰ内に浸透するため、プラズマの面内の広がりはあまり大きくはない。しかし、プラズマ密度がカットオフ密度ｎ_ｃを超える高プラズマ密度（高電子密度）になると、上述した図７に示すように、プラズマ中に浸透する電磁波が減衰し、電磁波の面方向の広がりが大きくなる。このように、プラズマが面方向に大きく広がると、フェーズドアレイアンテナの目的である局在化されたプラズマを生成することが難しくなり、高速位相制御により処理空間全体に均一なプラズマを生成すること、および、低ダメージの疑似的なパルスプラズマを生成することが困難となる。

そこで、本実施形態では、図１４に示すように、誘電体窓１３の処理空間１５側の面に複数の凹部１６を設けて、その中にプラズマＰが生成されるようにし、プラズマＰの面方向への広がりを抑制する。これにより、カットオフ密度ｎ_ｃ以上の高プラズマ密度であっても、フェーズドアレイアンテナの目的である局在化されたプラズマを生成することができ、高速位相制御により局在化されたプラズマを高速で移動させて処理空間１５全体に均一なプラズマを生成することができる。また、このように局在化されたプラズマを生成することができるので、カットオフ密度ｎ_ｃ以上の高プラズマ密度であっても、高速位相制御により期待される疑似的なパルスプラズマを実現することができ、所期の低ダメージプロセスを達成するができる。

次に、アンテナユニット２における電磁波の位相制御について、図１５～１７を参照して具体的に説明する。

図１５は、一実施形態に係るプラズマ処理装置１００における集光原理を説明するための模式図である。電磁波放射部３４からの電磁波放射位置が存在する天板１２の裏面を放射面Ｒとし、電磁波が照射される誘電体窓１３の表面を照射面Ｆとし、放射面Ｒと照射面Ｆとの距離をｚとする。照射面Ｆにおける電磁波を集光させたい位置をＯとし、位置Ｏと対応する放射面Ｒの位置をＯ´とする。このとき、位置Ｏ´からｘだけ離れた電磁波放射部３４から放射される電磁波の位相を考える。集光させたい位置Ｏと位置Ｏ´の距離はｚであり、位置Ｏと電磁波放射部３４の電磁波放射位置ｘの距離は、（ｘ^２＋ｚ^２）^１／２である。電磁波の波数をｋ（＝２π／λ（ただし、λは電磁波の波長））とし、位置ｘから放射した電磁波の位置Ｏでの位相（すなわち、位置ｘから放射した電磁波の位置Ｏでの位相の、位置Ｏ´から放射した電磁波の位置Ｏでの位相に対する位相差）をδ（ｘ）すると、以下の（１）式が成り立つ。
ｋ（ｘ^２＋ｚ^２）^１／２－δ（ｘ）＝ｋｚ ・・・（１）
（１）式を変形すると、位相δ（ｘ）を求める以下の（２）式が得られる。
δ（ｘ）＝ｋ｛（ｘ^２＋ｚ^２）^１／２－ｚ｝ ・・・（２）
δ（ｘ）をｘの関数として座標上に表すと図１６に示す曲線となる。

位相δ（ｘ）は、位置Ｏ´から位置Ｏに至る電磁波と位置ｘから位置Ｏに至る電磁波の進行方向のずれとして把握することができ、電磁波放射部３４の電磁波放射位置が位置Ｏ´から離れるほど（すなわちｘの絶対値が大きくなるほど）大きくなる。このため、位相δ（ｘ）の値に応じて、電磁波放射部３４から放射される電磁波の位相θを早めたり遅らせたりすることにより、複数の電磁波放射部３４から放射された電磁波を位置Ｏで強め合うようにすることができる。

例えば、図１７に示すように、７つの電磁波放射部３４ａ、３４ｂ、３４ｃ、３４ｄ、３４ｅ、３４ｆ、３４ｇとし、電磁波放射部３４ｂの電磁波放射位置が位置Ｏ´に存在し、他の電磁波放射部の電磁波放射位置がＯ´から離れた位置にある場合を考える。なお、図１７では説明の便宜上、実際の位置とは異なり、複数の電磁波放射部を横に並べた状態で示している。

電磁波放射部３４ａ～３４ｇの電磁波放射位置のｘ方向位置はｘａ～ｘｇであり、これらの位置と集光しようとする位置Ｏとの距離が異なるため、同じ位相で電磁波を放射すると、位置Ｏにおいて位相のずれが生じ、電磁波の干渉が生じず電磁波強度を高めることができない。このため、各電磁波放射部３４から放射される電磁波の位相θを、電磁波放射部３４ａ～３４ｇのｘ方向位置に応じた位相（位相差）δ（ｘ）だけずらし、各電磁波放射部から放射された電磁波の位置Ｏでの位相を合わせるようにする。これにより、位置Ｏで電磁波の干渉が生じて電磁波が強め合い、位置Ｏに電磁波を集光させて、局部的に電界強度を高くすることができる。図１７では、電磁波放射部３４ａ、３４ｂ、３４ｃから放射された電磁波が位置Ｏで位相があっており、干渉により電磁波が強め合う条件になっていることを示している。

ただし、集光位置Ｏにおいて電磁波を強め合うようにするための位相制御は、位置Ｏにおいて電磁波の干渉により所望の電界強度が得られれば、電磁波放射部３４ａ～３４ｇの全てにおいて行う必要はなく、２つ以上の適宜の数の電磁波放射部について行えばよい。また、上記説明では、誘電体窓１３における集光する位置は１つであったが、これに限らず、同じタイミングで誘電体窓１３に２つ以上の位置について位相を強め合う制御を行ってもよい。

なお、電磁波放射部３４の中心から隣り合う電磁波放射部３４の中心までの距離は、電磁波の波長をλとした場合にλ／２よりも小さいことが好ましい。隣り合う電磁波放射部３４の距離（間隔）がλ／２より大きいと、誘電体窓１３の集光しようとする位置Ｏにおいて電磁波の位相を強め合う制御を行い難くなるからである。

以上に説明した電磁波の集光は、位相制御による電磁波の干渉を利用するものであるため、集光部分の移動も位相制御のみで機械的動作をともなわずに非常に高速で行うことができる。原理上は、電磁波の周波数と同程度の速度で移動させることができる。

図１８は、位相制御による電磁波の集光および集光部分の走査の一例を示す図である。図１８の例では、制御部４が位相器３２を制御して（図１８では制御部４および位相器３２は図示せず）、７つの電磁波放射部３４からそれぞれ放射される電磁波の位相を、位置Ｏにて強め合うように制御する。これにより、位置Ｏを中心とした領域に集光部分Ｃが形成され、集光部分Ｃにおいて電磁波の電界が強くなるように制御される。図１８はこのことを模式的に示している。そして、位相器３２による位相制御により、誘電体窓１３の表面において、集光部分Ｃが径方向Ｌ１また周方向Ｌ２等に走査されるように、７つの電磁波放射部３４から放射される電磁波の位相を高速に制御する。

また、制御部４が位相器３２を制御して、電磁波放射部３４から放射される電磁波の位相制御による集光部分Ｃの移動速度を変えることで、単位時間当たりの平均電界分布を自由に制御することができる。例えば、集光部分Ｃが、誘電体窓１３の外周側で相対的に低速で移動し、内周側で相対的に高速で移動するように電磁波の位相を制御する。これにより、誘電体窓１３の外周側の電界強度を内周側の電界強度よりも強くすることができ、誘電体窓１３の下の外周側のプラズマ密度を内周のプラズマ密度よりも高く制御することができる。

本実施形態では、このような電磁波の高速位相制御による集光部分Ｃの高い制御性が得られることに加え、誘電体窓１３の処理空間１５側に複数の凹部１６を設ける。これにより、プラズマ密度がカットオフ密度ｎ_ｃよりも高くなってプラズマが面内方向に広がりやすい場合でも、電磁波の集光部分Ｃに対応して凹部１６内に、面方向への広がりが抑制され局在化されたプラズマを生成することができる。そして、電磁波の集光部分Ｃの高速移動にともなって、凹部１６内に生成されたプラズマも、別の凹部１６へ高速で移動することができ、均一なプラズマ処理を行うことができる。

また、このように局在的なプラズマを生成できることから、高プラズマ密度でも高速位相制御により期待される疑似的なパルスプラズマを実現することができ、通常のマイクロ波プラズマよりさらに低ダメージプロセスを達成することができる。

ところで、通常のマイクロ波プラズマでは、誘電体窓の直下に節と腹が短距離で多数有する定在波が形成されるため、プラズマの均一性を得るために電磁波を拡散（プラズマを拡散）させる必要があり、誘電体窓と基板との間のギャップを大きくする必要がある。これに対し、本実施形態では、プラズマの均一性が高く、しかも極めて低ダメージのプロセスが可能であるため、誘電体窓１３と基板との間を狭くしてもプラズマ均一性および低ダメージ性を維持することができる。

このため、本実施形態のプラズマ処理装置は、基板に対して少なくとも第１のガスおよび第２のガスをシーケンシャルに供給して成膜を行うＡＬＤプロセスに好適である。すなわち、本実施形態のプラズマ処理装置により、ＡＬＤプロセスで求められる、パージを短時間にするための低ギャップ化と、マイクロ波プラズマによる基板へのダメージが低く良好な成膜特性が得られるプロセスと、を両立させることができる。

なお、ＡＬＤプロセスに適用する場合は、ガスの流れの均一性が要求されるため、図１９に示すように、誘電体窓１３の中央付近にからガスを供給するガス導入部６１を介してガスを導入することが好ましい。

＜他の適用＞
以上、実施形態について説明したが、今回開示された実施形態は、全ての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。上記の実施形態は、添付の特許請求の範囲およびその主旨を逸脱することなく、様々な形態で省略、置換、変更されてもよい。

例えば、アンテナモジュールの構成は上記実施形態のものに限らない。例えば、位相器をアンプ部よりもアンテナ側に設けてもよいし、位相器をアンプ部と一体に設けてもよい。また、電磁波出力部の構成も上記実施形態に限るものではない。さらに、凹部の形状、大きさ、数等も、処理に応じて適宜決定することができる。

１；チャンバ
２；アンテナユニット
３；電磁波出力部
４；制御部
１３；誘電体窓
１４；合成空間
１５；処理空間
１６；凹部
２１；ステージ
３１；アンテナモジュール
３２；位相器
３４；電磁波放射部
３６；アンテナ
１００；プラズマ処理装置
Ｗ；基板

Claims (20)

1. 基板にプラズマ処理を施す処理空間および電磁波を合成する合成空間を有するチャンバと、
   前記処理空間と前記合成空間とを仕切る誘電体窓と、
   前記合成空間に電磁波を放射する複数のアンテナを有し、フェーズドアレイアンテナとして機能するアンテナユニットと、
   前記アンテナユニットに電磁波を出力する電磁波出力部と、
   前記アンテナユニットをフェーズドアレイアンテナとして機能させる制御部と、を有し、
   前記誘電体窓は、前記処理空間側の面に複数の凹部を有する、プラズマ処理装置。
2. 前記凹部内にプラズマが生成される、請求項１に記載のプラズマ処理装置。
3. 前記凹部の深さは１８ｍｍ以上である、請求項１または請求項２に記載のプラズマ処理装置。
4. 前記凹部は、前記処理空間側の間口が広いコーン形状を有する、請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。
5. 前記凹部は、角部が丸みを有する形状、または面取りされた形状である、請求項１から請求項４のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。
6. 前記凹部の間のピッチは５６ｍｍ以下である、請求項１から請求項５のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。
7. 前記凹部の数は、前記基板が直径３００ｍｍのウエハである場合に、３７個以上である、請求項１から請求項６のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。
8. 前記誘電体窓の前記凹部が形成された領域は、前記基板に対応する領域よりも大きい、請求項１から請求項７のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。
9. 前記制御部は、複数の前記アンテナから放射される複数の電磁波のそれぞれの位相を、複数の前記電磁波が前記合成空間で合成された際に干渉により前記誘電体窓の表面の任意の位置に集光された集光部分が形成されるように、かつ前記集光部分が移動されるように制御する、請求項１から請求項８のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。
10. 前記制御部は、前記位相の制御により前記集光部分の移動速度を変化させて、単位時間当たりの平均電界分布を制御する、請求項９に記載のプラズマ処理装置。
11. 前記処理空間に生成されるプラズマの密度は、その値を超えるとプラズマ中に浸透する電磁波が減衰するカットオフ密度より高い、請求項１から請求項１０のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。
12. 前記処理空間に少なくとも第１のガスおよび第２のガスを供給するガス供給部をさらに有し、基板に対して少なくとも前記第１のガスおよび前記第２のガスをシーケンシャルに供給してＡＬＤにより成膜を行う、請求項１から請求項１１のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。
13. プラズマ処理装置により基板にプラズマ処理を施すプラズマ処理方法であって、
    前記プラズマ処理装置は、基板にプラズマ処理を施す処理空間および電磁波を合成する合成空間を有するチャンバと、前記処理空間と前記合成空間とを仕切る誘電体窓と、前記合成空間に電磁波を放射する複数のアンテナを有するアンテナユニットと、前記アンテナユニットに電磁波を出力する電磁波出力部と、を有し、前記誘電体窓は、前記処理空間側の面に複数の凹部を有し、
    基板を処理空間に配置する工程と、
    複数の前記アンテナから放射される複数の電磁波のそれぞれの位相を、前記アンテナユニットがフェーズドアレイアンテナとして機能するように制御する工程と、
    前記複数の電磁波の位相を制御して、前記複数の電磁波を前記誘電体窓の表面の任意の位置に集光させ集光部分を形成するとともに、前記集光部分を移動させる工程と、
    前記集光部分から前記誘電体窓を透過した電磁波により、前記誘電体窓の前記凹部内にプラズマを生成させ、当該プラズマにより前記基板を処理する工程と、
    を有する、プラズマ処理方法。
14. 前記位相の制御により前記集光部分の移動速度を変化させて、単位時間当たりの平均電界分布を制御する、請求項１３に記載のプラズマ処理方法。
15. 電磁波を合成する合成空間に、フェーズドアレイアンテナとして機能するアンテナユニットの複数のアンテナから放射された電磁波を、基板が配置された処理空間に透過する誘電体窓であって、
    前記処理空間側の面に複数の凹部を有する、誘電体窓。
16. 前記凹部内にプラズマが生成される、請求項１５に記載の誘電体窓。
17. 前記凹部の深さは１８ｍｍ以上である、請求項１５または請求項１６に記載の誘電体窓。
18. 前記凹部の間のピッチは５６ｍｍ以下である、請求項１５から請求項１７のいずれか一項に記載の誘電体窓。
19. 前記凹部の数は、前記基板が直径３００ｍｍのウエハである場合に、３７個以上である、請求項１５から請求項１８のいずれか一項に記載の誘電体窓。
20. 前記凹部が形成された領域は、前記基板に対応する領域よりも大きい、請求項１５から請求項１９のいずれか一項に記載の誘電体窓。

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