JP2023045093A - プラズマ処理を行う装置、及びプラズマ処理を行う方法 - Google Patents

Abstract

【課題】プラズマ化した処理ガスから、基板に対して高密度のラジカルを供給して処理を行う技術を提供する。【解決手段】載置台上の基板にプラズマ化した処理ガスを供給して処理を行う装置は、互いに対向させて配置される対向面を有し、高周波電源に接続されたカソード電極、及び接地端側のアノード電極からなる電極セットを配置して得られた前記対向面の間の空間であって、前記処理ガスをプラズマ化するための複数のプラズマ生成空間と、前記プラズマ生成空間でプラズマ化した前記処理ガスを前記載置台側へ供給すると共に、前記プラズマ化した処理ガス中に含まれるイオンをシース領域にトラップするための、誘電体面を有する複数の供給流路が形成されたイオントラップ部と、を備える。【選択図】図１

Description

本開示は、プラズマ処理を行う装置、及びプラズマ処理を行う方法に関する。

半導体デバイスの製造工程にて半導体ウエハ（以下、「ウエハ」と記載する）に成膜を行う処理として、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法や、ＡＬＤ（Atomic Layer Deposition）法が知られている。これらの成膜処理では、膜原料を含む原料ガス、原料ガスの酸化や還元を行う反応ガスなど（以下、これらをまとめて「成膜ガス」という）が用いられる。

成膜処理においては、成膜ガスをプラズマ化することにより得られた反応性の高い活性種を利用する場合がある。例えば特許文献１、２には、径の異なる円環形状や円筒形状の電極を同心円状に配置し、電極に高周波電力を供給することにより、電極付近に供給されたガスをプラズマ化する技術が記載されている。
また、成膜処理以外に、エッチング処理や改質処理などにおいても、プラズマ化したガス中の活性種を利用した処理が行われる。

特開２０１６－１２２４９１号公報 特開平５－２２６２５８号公報

本開示は、プラズマ化した処理ガスから、基板に対して高密度のラジカルを供給してプラズマ処理を行う技術を提供する。

本開示は、処理容器内の基板にプラズマ化した処理ガスを供給してプラズマ処理を行う装置であって、
前記処理容器内に設けられ、前記基板を載置するための載置台と、
各々、互いに対向させて配置される対向面を有し、高周波電源に接続されたカソード電極、及び接地端側のアノード電極からなる電極セットと、
前記載置台の上方側の空間に、複数の前記電極セットを配置して得られた前記対向面の間の空間であって、前記処理ガスをプラズマ化するための複数のプラズマ生成空間と、
前記複数のプラズマ生成空間に前記処理ガスを供給するための処理ガス供給部と、
前記複数のプラズマ生成空間と前記載置台との間に配置され、前記プラズマ生成空間でプラズマ化した前記処理ガスを前記載置台側へ供給すると共に、前記プラズマ化した処理ガス中に含まれるイオンをシース領域にトラップするための、誘電体面を有する複数の供給流路が形成されたイオントラップ部と、を備えた、装置である。

本開示によれば、プラズマ化した処理ガスから、基板に対して高密度のラジカルを供給してプラズマ処理を行うことができる。

本開示に係る成膜装置の縦断側面図である。 前記成膜装置に設けられているカソード電極及びアノード電極の横断平面図である。 イオントラップ部の第１の構成例を示す平面図である。 イオントラップ部の第２の構成例を示す平面図である。 イオントラップ部の作用図である。 成膜ガスの供給流路に形成される電位分布を示す説明図である。 他の例に係るイオントラップ部の作用図である。 前記カソード電極の他の構成例を示す縦断側面図である。 カソード電極及びアノード電極の変形例に係る横断平面図である。 第２の実施形態に係る成膜装置の縦断側面図である。 第２の実施形態に係るカソード電極及びアノード電極の作用図である。 第２の実施形態に係るプラズマ生成空間に形成されるシースの電位分布を示す説明図である。 第２の実施形態に係るカソード電極を移動させる駆動部の他の構成例を示す縦断側面図である。 前記他の構成例に係る駆動部の平面図である。 前記他の構成例に係る駆動部の横断平面図である。

＜成膜装置＞
以下、図１、図２を参照しながら、本開示に係る「プラズマ処理を行う装置」の実施形態である成膜装置１の構成例について説明する。
図１は、成膜装置１の縦断側面図である。この成膜装置１は、処理ガスとして、膜原料を含む原料ガスや反応ガスなどの成膜ガスをウエハＷに供給し、ウエハＷの表面に所望の物質の膜を成膜するように構成されている。成膜を行う手法としては、成膜ガスを連続的に供給しウエハＷの表面に膜物質を堆積させるＣＶＤ法であってもよい。また、原料ガスの供給と排気、反応ガスの供給と排気を交互に実施し、ウエハＷへの原料ガスの吸着と、反応とを繰り返して、膜物質の薄膜を積層させるＡＬＤ法であってもよい。

成膜装置１は、接地された金属製の略円筒状の処理容器１１を備える。処理容器１１の側面には、不図示の真空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１２が形成されている。この搬入出口１２はゲートバルブ１３により開閉自在に構成されている。

また処理容器１１には、排気ライン１４が接続されている。排気ライン１４の下流側には、例えばバタフライバルブからなる圧力調整バルブや真空ポンプを含む真空排気部１４１が接続されている。真空排気部１４１により、予め設定された圧力まで処理容器１１内を減圧し、この減圧された空間に成膜ガスを供給してウエハＷへの成膜が行われる。

また処理容器１１内の底面の中央部には、成膜対象のウエハＷを載置するための載置台１５が設けられている。載置台１５には不図示のヒーターが埋設され、予め設定された設定温度にウエハＷを加熱することができる。さらに載置台１５には、ウエハＷを保持して昇降させるための図示しない昇降ピンが設けられている。昇降ピンの昇降により、載置台１５と、外部の図示しない搬送機構との間でウエハＷの受け渡しを行うことができる。

本例の成膜装置１は、高周波電源７２に接続されたカソード電極３と、接地端側のアノード電極２とを用いて成膜ガスをプラズマ化し、得られた活性種を用いて成膜を行う。図１、図２に示すように、処理容器１１内には、柱状電極２ｂまたは筒状電極２ａである複数のアノード電極２と、筒状電極３ａである複数のカソード電極３とが同心円状に交互に配置されている。カソード電極３及びアノード電極２は、各々、導電性を有する金属により構成される。またカソード電極３及びアノード電極２の少なくとも一方の表面は、金属よりもラジカル再結合率が低い、セラミックス被膜によって被覆してもよい。特に、二酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）は、ラジカル再結合率が極めて低いことが知られており、カソード電極３やアノード電極２を被覆するセラミックス被膜として好適である。

これら複数のカソード電極３及びアノード電極２のうち、隣り合って配置されたカソード電極３とアノード電極２とは、本例の電極セットを構成している。電極セットを構成するカソード電極３、アノード電極２は、互いに対向して配置される対向面を有している。これら対向面の間の円筒状の空間が、成膜ガスをプラズマ化するためのプラズマ生成空間４０となっている。

ここで図２には、中央位置に配置されたアノード電極２から、最外周側に配置されたアノード電極２まで、各電極２、３にＩ～Ｖの識別符号を付してある。これらの識別符号を用いて示すと、本例の成膜装置１には、アノード電極２（Ｉ）－カソード電極３（ＩＩ）、カソード電極３（ＩＩ）－アノード電極２（ＩＩＩ）、アノード電極２（ＩＩＩ）－カソード電極３（ＩＶ）、及びカソード電極３（ＩＶ）－アノード電極２（Ｖ）の４つの電極セットが設けられていることになる。そして、アノード電極２（Ｉ）の外周面－カソード電極３（ＩＩ）の内周面、カソード電極３（ＩＩ）の外周面－アノード電極２（ＩＩＩ）の内周面、アノード電極２（ＩＩＩ）の外周面－カソード電極３（ＩＶ）の内周面、及びカソード電極３（ＩＶ）の外周面－アノード電極２（Ｖ）の内周面が、各々、既述の対向面に相当している。

同心円状に配置されたカソード電極３及びアノード電極２は、図１に示すように、処理容器１１の天井面側に固定配置された誘電体製の支持部材６によって、各々、その上端部が支持されている。この構成により、カソード電極３及びアノード電極２は、柱状電極２ｂ、筒状電極２ａ、３ａの軸を上下方向に向け、処理容器１１内へ向けて吊り下げ支持された状態となる。従って、これらカソード電極３、アノード電極２の対向面間に複数形成される円筒状のプラズマ生成空間４０についても、各円筒の軸を上下方向に向けて、同心円状に配置される。

さらに図１に示すように、これらのカソード電極３、アノード電極２は、載置台１５に載置されたウエハＷの上方側の空間を区画するように配置される。この配置により、上面側から平面視したとき、載置台１５に載置されたウエハＷの全面が、同心円状に形成、配置された複数のプラズマ生成空間４０によって覆われた状態となる。

支持部材６によって吊り下げ支持されているカソード電極３の上端部は、当該支持部材６内に埋め込まれた円板状の給電板３１の下面に接続されている。給電板３１の上面側中央部には、給電軸３２が接続されている。給電軸３２は、支持部材６及び処理容器１１の天井部を貫通するように上方側へ向けて延在するように設けられている。

給電軸３２の上端は、整合器７１を介して高周波電源７２に接続されている。また、給電軸３２が処理容器１１の天井部を貫通する位置には、給電軸３２と処理容器１１との短絡を防止するための絶縁部材３３が設けられている。給電軸３２が処理容器１１の天井部を貫通する位置には、処理容器１１内を気密に保つためのシール部材１１１が設けられている。

また、支持部材６によって吊り下げ支持されているアノード電極２の上端部は、当該支持部材６内に埋め込まれた接続線２２によって互いに電気的に接続されている。なお、支持部材６内において、カソード電極３には、アノード電極２を通すための不図示の配線用の孔部が設けられている。一方、接続線２２は、例えば絶縁被覆された状態で支持部材６内に配置されているので、カソード電極３と接続線２２とは互いに絶縁された状態となっている。

接続線２２によって互いに電気的に接続された複数のアノード電極２の１つには、接地線２１が接続されている。接地線２１は、支持部材６及び処理容器１１の天井部を貫通するように上方側へ向けて延在するように設けられ、フィルター７３及びＤＣバイアス７４を介して接地されている。但し、フィルター７３やＤＣバイアス７４を設けることは必須の要件ではなく、接地線２１を直接、接地してもよい。また、接地線２１が処理容器１１の天井部を貫通する位置には、接地線２１と処理容器１１との短絡を防止するための絶縁部材１１０が設けられている。

さらに図１に示すように、支持部材６の内部には、各プラズマ生成空間４０へ向けて成膜ガスを供給するためのガス分配流路６２が形成されている。ガス分配流路６２には、各プラズマ生成空間４０の天井部に向けて開口する複数の吐出孔６３が接続されている。

なお、成膜ガスの供給は、プラズマ生成空間４０の天井部側から行う場合のみに限定されない。例えば支持部材６を介してカソード電極３、アノード電極２の内部に連通するガス分配流路６２を設け、このガス分配流路６２に対し、各電極３、２の側壁面に向けて開口する複数の吐出孔６３を接続してもよい。

ガス分配流路６２は、支持部材６を上下方向に貫通するガス供給流路６１に接続され、さらにガス供給流路６１は、処理容器１１の外部に設けられたガス供給ライン８１に接続されている。ガス供給ライン８１の上流側には、バルブＶ１及び流量調節部８２を介してガス供給源８３が接続されている。

ガス供給源８３からは、既述の成膜ガス（原料ガスや反応ガス）の他、処理容器１１からの成膜ガスの排出を促進するパージガス、成膜ガスのプラズマ化を補助するために添加されるアルゴンガスなどの補助ガスを供給してもよい。このように、複数種類のガスの供給を行う場合に、共通のガス分配流路６２に対して複数系統のガス供給ライン８１を接続してもよいし、複数系統のガス供給ライン８１に対応した複数のガス分配流路６２を支持部材６内に設けてもよい。
プラズマ生成空間４０に成膜ガスを供給する観点において、ガス分配流路６２や吐出孔６３が形成された支持部材６、ガス供給ライン８１やガス供給源８３などは、本例の処理ガス供給部に相当している。

上述の構成により、高周波電源７２に接続されたカソード電極３と、接地端側のアノード電極２との間には、平行平板型のプラズマ生成空間４０が構成される。そして、吐出孔６３から成膜ガスなどを供給して高周波電力を印加することにより、当該ガスが電離してプラズマが形成される。

ここでプラズマ化した成膜ガス中には、イオンやラジカルなど多種類の活性種が含まれている。これらのうち、高いエネルギーを持つイオンは、ウエハＷに成膜される膜の荒れや、下地の損傷を引き起こすおそれがある。この観点で、イオンの含有量を低減し、ラジカルを多く含むプラズマをウエハＷに供給することができれば、良質な膜の成膜を実現することができる。
そこで、本例の成膜装置１は、プラズマ生成空間４０内で形成されたプラズマ中のイオンをトラップするためのイオントラップ部５を備えている。

イオントラップ部５は、誘電体部材、または表面が誘電体により被覆された金属部材により構成される円板状の部材である。誘電体部材の本体を構成する誘電体、または金属部材を被覆する誘電体としては、金属よりもラジカル再結合率が低いセラミックスを用いる。既述のように、二酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）は、ラジカル再結合率が極めて低く、誘電体部材の本体を構成する誘電体、または金属部材を被覆する誘電体として好適である。

図１に示すように、イオントラップ部５は、カソード電極３及びアノード電極２よって構成されるプラズマ生成空間４０と、ウエハＷの載置台１５との間に配置される。イオントラップ部５は、カソード電極３及びアノード電極２の下端部を下面側から覆うように配置されている。イオントラップ部５の周縁領域には、上方へ向けて突出する縁部５２が形成され、この縁部５２により、最外周側のアノード電極２の下端部を外周面側から覆うように取り付けられている。この他、アノード電極２の下面に、ネジを用いて、板状のイオントラップ部５を取り付ける構成としてもよい。

図１、図５に示すように、イオントラップ部５には、プラズマ生成空間４０内で形成された成膜ガスのプラズマを載置台１５上のウエハＷ側に向けて供給するための多数の供給流路５１が形成されている。これらの供給流路５１は、プラズマ生成空間４０が形成されている領域の下面側に配置されている。

図３、図４は、いずれもイオントラップ部５を下面側から見た平面図であり、開口形状が異なる供給流路５１ａ、５１ｂの構成例を示している。なお、図５に示す例のように、流路形状がイオントラップ部５内で変形していない場合には、上記開口形状は、供給流路５１ａ、５１ｂの横断面形状を示している。これらの図中、長い破線は、下面側から見たカソード電極３の輪郭線を示し、一点鎖線は、同じくアノード電極２の輪郭線を示している。

図３は、開口形状が細長いスリット状となるように供給流路５１ａを形成した例であり、図４は、開口形状が円形となるように供給流路５１ｂを形成した例である。供給流路５１ａ、５１ｂの流路壁面を構成する誘電体面のラジカル再結合率が同じ場合には、図３のスリット状の供給流路５１ｂの方が、ラジカルと供給流路５１ｂの壁面との接触確率が小さくなり、ウエハＷに対して効率的にラジカルを供給することができる。

また、後述するイオントラップの作用の観点から、供給流路５１の流路幅は、０．１～５ｍｍ、好適には０．８～１．２ｍｍ程度の範囲内の寸法に構成されていることが好ましい。ここでスリット状の横断面形状を有する供給流路５１ａにおいて、流路幅とは、スリットの短辺方向の流路壁面間の距離に相当している。また、円形の横断面形状を有する供給流路５１ａにおいて、流路幅とは、円の直径に相当している。
イオントラップ部５が誘電体部材により構成されている場合、または金属部材により構成されたイオントラップ部５の表面が誘電体により被覆されている場合のいずれにおいても、供給流路５１の流路壁面は、誘電体面により構成された領域を含んでいる。

また図１に示すように、成膜装置１は制御部１００を備えている。制御部１００は、プログラムを記憶した記憶部、メモリ、ＣＰＵを含むコンピュータにより構成される。プログラムは、制御部１００から成膜装置１の各部に向けて制御信号を出力し、ウエハＷの搬入出や処理を実行するための命令（ステップ）が組まれている。プログラムは、コンピュータの記憶部、例えばフレキシブルディスク、コンパクトディスク、ハードディスク、ＭＯ（光磁気ディスク）、不揮発性メモリなどに格納され、この記憶部から読み出されて制御部１００にインストールされる。

＜成膜処理＞
次いで、以上に説明した構成を備える成膜装置１を用い、プラズマ処理として、ウエハＷへの成膜処理を行う動作について説明する。
外部の真空搬送室に処理対象のウエハＷが搬送されてきたら、ゲートバルブ１３を開き、搬入出口１２を介して、ウエハＷを保持した搬送機構（不図示）を処理容器１１内に進入させる。そして、載置台１５に設けられた不図示の昇降ピンとの協働作用により、搬送機構からウエハＷを受け取り、載置台１５上に載置する。

しかる後、処理容器１１から搬送機構を退出させ、ゲートバルブ１３を閉じると共に、処理容器１１内の圧力調節、ウエハＷの温度調節を行う。次いで、各プラズマ生成空間４０へ向けて成膜ガスの供給を行うと共に、高周波電源７２から高周波電力を印加することにより、プラズマ生成空間４０に供給された成膜ガスをプラズマ化する。

このとき、ＣＶＤ法により成膜を行う場合は、プラズマ生成空間４０に対して成膜ガスが連続的に供給される。反応の内容に応じて、原料ガスを単独で連続供給してもよいし、原料ガスと反応ガスとを同時に連続供給してもよい。
また、ＡＬＤ法により成膜を行う場合には、例えば「原料ガスの供給（ウエハＷへの吸着）→パージガスの供給→反応ガスの供給（ウエハＷに吸着した原料との反応）→パージガスの供給」のサイクルが、所定回数繰り返される。

＜イオントラップ＞
上述した成膜ガスの供給期間中、プラズマ化した成膜ガスは、図５に示すように載置台１５（ウエハＷ）が配置されている方向へ向けてプラズマ生成空間４０内を下方側へ向けて流れていく。一方、カソード電極３およびアノード電極２の壁面（対向面）の近傍には、プラズマのバルク領域Ｐに対して電位差があるシース領域Ｓｈ１が形成される。

このシース領域Ｓｈ１は、プラズマのバルク領域Ｐと比較して相対的に電位が低いため、プラズマに含まれる正イオンＰＩは、シース領域Ｓｈ１の電位差により、ウエハＷと平行な方向へ向けて加速される。ここで図５に示すように、正イオンＰＩは、プラズマの流れ方向と交差する方向へ向けて移動するため、シース領域Ｓｈ１により加速されるイオンはカソード電極３およびアノード電極２の壁面に衝突して消滅する。但し、各電極３、２の壁面に到達せず、消滅していない正イオンＰＩがプラズマ中に残存する場合もある。この点、既述のようにウエハＷと平行な方向に加速された正イオンＰＩは、ウエハＷに成膜される膜の荒れや、下地の損傷を引き起こすおそれが小さい。この点、本例のプラズマ生成空間４０は、正イオンＰＩのエネルギーが低減された状態のプラズマをウエハＷに向けて供給することができる。

一方、ラジカルは、シース領域Ｓｈ１への電位差によるドリフトに伴うプラズマ中の含有量の減少は生じにくい。また、カソード電極３やアノード電極２の表面が、ラジカル再結合率が低い誘電体によって被覆されている場合には、壁面でのラジカル消滅が抑制できる。

さらに本例の成膜装置１は、プラズマ生成空間４０の出口側にイオントラップ部５が配置されている。このため、プラズマ生成空間４０から流出したプラズマの殆どは、イオントラップ部５の上面に衝突するか、そのまま供給流路５１内に流れ込む。しかる後、供給流路５１から流れ出たプラズマが、載置台１５上のウエハＷ側へと供給される。このとき、プラズマの流れはイオントラップ部５の表面に接触することになるが、イオントラップ部５の表面近傍にも、プラズマのバルク領域Ｐに対して電位差があるシース領域Ｓｈ２が形成される。

イオントラップ部５に形成されるシース領域Ｓｈ２においても、プラズマの流れに含まれる正イオンＰＩをシース領域Ｓｈ２によりイオントラップ部５の壁面に移動させ、プラズマ中の正イオンＰＩの含有量を低減する効果が得られる。特に、供給流路５１の流路幅を０．８～１．２ｍｍの範囲内の寸法とすることで、より広い流路幅を持つ場合の図６（ａ）の状態から、図６（ｂ）の状態に、供給流路５１内の電位分布を調節することができる。図６（ｂ）に示す電位分布は、プラズマの流れの中央側まで、シース領域Ｓｈ２が形成されていることを示している。この結果、プラズマの流れ全体に含まれる正イオンＰＩに対し、供給流路５１の壁面側へ向けて移動させる力を及ぼすことができる。

一方、イオントラップ部５の上面に衝突し、また狭い供給流路５１内を流れるプラズマにおいては、プラズマ中のラジカルがイオントラップ部５の上面や供給流路５１の壁面と接触する頻度も大きくなる。このとき、既述のように本例のイオントラップ部５は、ラジカル再結合率の低い誘電体部材によって構成されているか、または表面が前記誘電体により被覆された金属部材によりが構成されている。これにより、プラズマ中のラジカルがイオントラップ部５の上面や供給流路５１の壁面と接触したとしても、ラジカルの減少を抑制することができる。

以上に説明したメカニズムにより、プラズマ生成空間４０内及びイオントラップ部５にて正イオンＰＩがトラップされ、当該正イオンＰＩの含有量が低減されたプラズマは、供給流路５１を通過して載置台１５上のウエハＷに供給される。
正イオンＰＩの含有量が低減され、ラジカルを高密度で含有するプラズマを利用することにより、膜の荒れや、下地の損傷の少ない成膜を行うことができる。

予め設定された期間、ＣＶＤ法やＡＬＤ法による成膜を行ったら、プラズマ生成空間４０への成膜ガスの供給、及びカソード電極３への高周波電力の供給を停止する。しかる後、搬入時とは反対の手順にて、成膜が行われたウエハＷを処理容器１１から搬出する。

本実施形態に係る成膜装置１によれば以下の効果がある。カソード電極３及びアノード電極２の対向面間に形成されたプラズマ生成空間４０、及びイオントラップ部５に形成されるシース領域Ｓｈ１、Ｓｈ２にて、成膜ガスのプラズマに含まれる正イオンＰＩをトラップする。この結果、プラズマ化した成膜ガスから、ウエハＷに対して高密度のラジカルを供給して成膜を行うことができる。

＜バリエーション＞
以下、図７～図１４Ｂを参照し、既述の成膜装置１のバリエーションについて説明する。これらの図において、図１～図５を用いて説明したものと共通の構成要素に対しては、図１～図５に示したものと共通の符号を付してある。
図７は、イオントラップ部５内に形成される供給流路５１ｃのバリエーションを示している。本例の供給流路５１ｃは、イオントラップ部５の内部にて分岐し、分岐した位置にてプラズマ（成膜ガス）の流れ方向と交差する向きに配置された衝突面５３が設けられている。供給流路５１ｃ内の他の領域の流路壁面と同様に、衝突面５３は誘電体面により構成されている。

衝突面５３を設けることにより、供給流路５１ｃ内に流れ込んだプラズマを衝突面５３に衝突させ、正イオンＰＩのトラップ効率を向上させることができる。
イオントラップ部５内に衝突面５３を形成する構成は、図７に示した構成に限定されない。例えば、クランク状に供給流路５１を屈曲させ、屈曲位置にてプラズマの流れと対向する壁面を衝突面５３としてもよい。

図８は、ホローカソード効果を利用して、高密度のラジカルを得る場合のカソード電極３ｂの縦断面を模式的に示している。本例のカソード電極３ｂは、アノード電極２との対向面（図８に向かって左側の面）にホロー（凹部）３５が形成されている。ホロー３５は、カソード電極３ｂの対向面の周方向に沿って伸びる溝により構成してもよい。この場合には、対向面の高さ方向に、互いに間隔を開けて複数列の溝状のホロー３５を形成してもよい。また、例えば開口形状が円形の多数のホロー３５を、カソード電極３ｂの対向面の全面に分散して形成してもよい。

上記構成のカソード電極３ｂによれば、ホローカソード効果により、ホロー３５内で高密度のプラズマが形成される。しかる後、当該プラズマがプラズマ生成空間４０、イオントラップ部５を流れる過程にて、既述のようにシース領域Ｓｈ１、Ｓｈ２に正イオンＰＩがトラップされ原料ガスの高密度ラジカルをウエハＷに供給することができる。

なお、便宜上、図８においてはカソード電極３ｂの一面側のみにホロー３５が形成されている例を示してある。これに対して、例えば筒状電極３ａからなるカソード電極３ｂの内周面側、外周面側の双方にアノード電極２が配置されている場合、対向面となる両面に各々ホロー３５を形成してもよい。
さらには、ホロー３５は、カソード電極３ｂ側のみに形成する場合に限定されない。アノード電極２にホロー３５を設けてもよいし、カソード電極３とアノード電極２との両方にホロー３５を設けてもよい。

この他、カソード電極３及びアノード電極２は、図２などを用いて説明した柱状電極２ｂや筒状電極３ａ、２ａにより構成する場合に限定されない。例えば図９は、平板形状のカソード電極（板状電極３ｃ）及びアノード電極２（板状電極２ｃ）を用いてプラズマ生成空間４０を構成した例を示している。この例では、各々、複数枚の板状電極３ｃ及び板状電極２ｃが互いに平行に並ぶように、間隔を開けて交互に配置されている。また、成膜ガスの側方への流出を防ぐため、板状電極３ｃ及び板状電極２ｃの隙間（プラズマ生成空間４０）の両端部は、誘電体からなる側面部材６４によって塞がれている。
上述の構成の板状電極３ｃ及び板状電極２ｃを備えた成膜装置１においても、イオントラップ部５を設けることにより、図５を用いて説明した例と同様の作用効果を得ることができる。

＜第２の実施形態＞
次に、第２の実施形態として、カソード電極３ｄ及びアノード電極２の一方を移動可能に構成することにより、対向面の面積を変化させることが可能な成膜装置１ａの例を説明する。
図１０、図１１に示す成膜装置１ａは、カソード電極３ｄが、誘電体部分３０１と金属部分３０２とを組み合わせて構成されている点と、プラズマ生成空間４０内に誘電体部２３が挿入されている点と、カソード電極３を移動させるための駆動部９が設けられている点とが、図１、図２を用いて説明した第１の実施形態に係る成膜装置１と相違している。

図１１（ａ）に示すように、本例の一方の電極であるカソード電極３ｄが円筒形状にされている点は、図２に示す第１の実施形態に係るカソード電極３と同様である。一方、このカソード電極３ｄは、円筒の周方向に沿って見たとき、カソード電極３ｄの本体を成す複数の金属部分３０２と、複数の誘電体部分３０１とを交互に配置して構成される。前記周方向は、プラズマ生成空間４０から載置台１５へ向かう成膜ガスの流れと交差する方向である交差方向に相当している。

また、本例の他方の電極であるアノード電極２には、複数の誘電体部２３が設けられている。各誘電体部２３は、円筒の壁面の一部を軸方向に沿って切り出した形状となっている。これらの誘電体部２３は、プラズマ生成空間４０の空間形状に対応するように構成され、各々、プラズマ生成空間４０内に互いに間隔を開けて挿入される。本例の各誘電体部２３は、アノード電極２における、カソード電極３ｄとの対向面に取り付けられている。そして図１１（ａ）に示す、カソード電極３ｄを移動させる前のホームポジションにて、各誘電体部２３は、カソード電極３ｄ側の誘電体部分３０１の配置位置と重なるように配置される。
なお、誘電体部２３を取り付ける位置は、前記対向面を成すアノード電極２の内周面／外周面に限定されない。例えばプラズマ生成空間４０の天井面側の支持部材６に誘電体部２３を取り付けてもよい。

ここで、図１０に示す成膜装置１ａの縦断側面図において、カソード電極３ｄ及びアノード電極２の配置領域については、図１１（ａ）中にＡ－Ａ’で示す位置にて断面を矢視した状態を示している。一方、図１１（ａ）中にＢ－Ｂ’で示す位置にて断面を矢視した状態は、図１中に示すカソード電極３及びアノード電極２の縦断面と相違がないので記載を省略している。

図１０に示すように、本例の成膜装置１ａには、カソード電極３ｄとアノード電極２とを円筒の周方向（既述の「交差方向」）に沿って相対的に移動させるための駆動部９が設けられている。以下の例では、駆動部９によりカソード電極３ｄを移動させる場合について説明する。

支持部材６及び処理容器１１の天井部を貫通する絶縁部材３３について、絶縁部材３３の外周面側には、磁性流体シールを備えた軸受け１１２が設けられている。軸受け１１２は、処理容器１１内を気密な状態に保ちつつ、絶縁部材３３を回転自在に保持する。給電軸３２は、絶縁部材３３と一体に回転することが可能なように、絶縁部材３３に対して固定されている。

処理容器１１の天井部から上方側へ突出した絶縁部材３３の上端部には、絶縁部材３３と一体に給電軸３２を回転させるためのプーリー９１が設けられている。また、当該絶縁部材３３側のプーリー９１の側方位置には、駆動モーター９４の回転軸に接続されたもう１つのプーリー９３が設けられている。これらのプーリー９１、９３に駆動ベルト９２を巻き掛けることにより駆動部９が構成されている。

上述の構成の駆動部９により、絶縁部材３３を回転させると、給電軸３２、給電板３１及び各カソード電極３ｄが一体となって回転する。即ち、図１１（ａ）、（ｂ）に示すように、上面側から見ると、周方向に沿ってカソード電極３ｄを回転移動させることができる。この回転移動により、本例の成膜装置１ａは、カソード電極３ｄとアノード電極２との間の対向面の面積を変化させることができる。

即ち、図１１（ａ）に示すように、カソード電極３ｄを移動させる前のホームポジションにおいて、カソード電極３ｄの誘電体部分３０１は、プラズマ生成空間４０内に挿入されるように設けられた誘電体部２３に挟まれた状態となる。このホームポジションでは、カソード電極３ｄ（３０２）とアノード電極２との間の対向面の面積が最大となる。図１２（ａ）は、この状態で成膜ガスのプラズマを形成した場合におけるカソード電極３ｄ－アノード電極２間の電位分布を模式的に示している。

次いでカソード電極３ｄを予め設定された角度、移動させると、誘電体部２３に挟まれた状態となっていた誘電体部分３０１の一部が、プラズマ生成空間４０側へと進入する。一方、カソード電極３ｄの本体を構成する金属部分３０２は、その一部が、誘電体部２３に挟まれた領域へと進入する。この移動により、カソード電極３ｄ（金属部分３０２）とアノード電極２との間の対向面の面積は、ホームポジションの状態と比べて小さくなる。

図１２（ｂ）は、この状態で成膜ガスのプラズマを形成した場合におけるカソード電極３ｄ－アノード電極２間の電位分布を模式的に示している。このときカソード電極３ｄとアノード電極２との対向面積が小さくなる一方で、特に面積が小さくなったカソード電極３ｄ（金属部分３０２）表面近傍では、負バイアスが発生する。この負バイアスによって、高周波電圧が正に振れたときにも、プラズマポテンシャルの大幅な変化を抑制することができる。そのため、イオントラップ５部のシース領域Ｓｈ２の電位差を低減し、供給流路５１内を通過する正イオンＰＩのエネルギーを抑制できる。

さらに図１２（ｂ）に示すように、プラズマとアノード電極２との間は電位差が小さくなるので、スパッタリングが発生しにくい。なお、既述のようにカソード電極３ｄとプラズマとの間は電位差が大きくなるので、スパッタリング発生のおそれが生じる場合もあり得る。この点については、例えば予備実験を行い、スパッタリングによる損傷の影響が小さい範囲でカソード電極３ｄの回転角度を決定してもよい。

カソード電極３ｄの移動量（カソード電極３ｄとアノード電極２との対向面の面積）は、予備実験やシミュレーションにより、成膜条件に応じて好適なラジカル密度およびイオンエネルギーが得られる値を決定してもよい。この場合、カソード電極３ｄの移動量は、成膜装置１ａのプロセス変数の１つとして、制御部１００を制御するためのレシピ中に設定される。
また、分光計測法などにより、ウエハＷに供給されるプラズマ中のラジカル密度およびイオンエネルギーをリアルタイムで測定し、このラジカル密度が予め設定した目標値に近付くようにカソード電極３ｄの移動量を常時調節する制御を行ってもよい。

また、駆動部９を構成する駆動モーター９４の駆動力を伝達する機構は、プーリー９１、９３と駆動ベルト９２とを利用するものに限定されない。例えば、駆動モーター９４の回転軸及び絶縁部材３３に設けた歯車を噛み合わせてギア機構を構成してもよい。

さらに図１３、図１４Ａ、図１４Ｂは、成膜装置１ａに設けられる駆動部９ａの他の構成例を示している。
本例の駆動部９ａは、処理容器１１の天井部から上方に突出する絶縁部材３３の上端にコマ状の回転子３４を設け、この回転子３４の上面に設けられたリンクピン９５１にレバー９５２の先端部を接続している。回転子３４は、ベアリング９５４を介して処理容器１１の天井部の上面に支持され、鉛直軸周りに回転することができる。回転子３４は、処理容器１１の天井部の上面側に設けられた筐体部９５０内に収容されている。

図１４Ａ、図１４Ｂに示すように、レバー９５２は、回転子３４の側方側へ向けて横方向に延在するように設けられている。レバー９５２の基端部は、筐体部９５０の側壁面を貫通し、筐体部９５０の外部に設けられた支持板９５６にリンク接続されている。さらに支持板９５６は往復動モーター９５７の往復軸の先端部に接続されている。また、筐体部９５０の外部に突出したレバー９５２の周囲には、ベローズ９５５が設けられ、筐体部９５０内を気密な状態に維持している。

上述の構成により、往復動モーター９５７によりレバー９５２を移動させると、回転子３４が所定の角度範囲で回転する。この回転子３４の回転動作により、絶縁部材３３を介して回転子３４に接続されたカソード電極３ｄを回転移動させることができる。

図１３に示すように、高周波電源７２からの高周波電力を供給する給電バー７０は、回転子３４内に設けられた棒状の給電軸３２に接続されている。この給電バー７０は、筐体部９５０の天井面に設けられた開口部９５０ａを介して外部へ延設されている。開口部９５０ａは、回転子３４の回転に応じて給電バー７０が移動する軌道の形状に対応した扇型の開口を有している。また、筐体部９５０内の給電バー７０の周囲には、筐体部９５０内を気密に維持するためのベローズ９５３が設けられている。ベローズ９５３は可撓性を有し、給電軸３２の回転に伴う開口部９５０ａ内での給電バー７０の移動に対応して変形することができる。

以上、図１０～図１４Ｂを用いて説明した第２の実施形態について、誘電体部分３０１と金属部分３０２とを組み合わせて構成される一方の電極は、カソード電極３ｄとする場合に限定されない。例えば各々複数の誘電体部分と金属部分とを周方向に組み合わせてアノード電極２を構成してもよい。

また駆動部９、９ａにより回転移動させる対象は、カソード電極３ｄ側に限定されない。カソード電極３ｄを固定配置する一方、アノード電極２側に駆動部を設けて、回転移動させてもよい。
また、図７～図９を用いて説明した各種のバリエーションは、第２の実施形態に係る成膜装置１ａにも適用することができる。なお図９に示す例のように、図１０に示すカソード電極３ｄ、アノード電極２を平板形状とした場合には、その移動方向（成膜ガスの流れと交差する交差方向）は、平板の板面に沿った横方向となる。

以上に説明した各実施の形態に係る成膜装置１、１ａにおいて、成膜対象の基板は、半導体ウエハに限定されない。例えばＦＰＤのガラス基板であってもよい。
さらに、図１～図１４を用いて説明した構成のアノード電極２、２ａ～２ｃ、カソード電極３、３ａ～３ｄ、イオントラップ部５を備えるプラズマ処理装置は、ウエハＷへの成膜処理を行う成膜装置１、１ａとして構成する場合に限定されない。エッチングガスのラジカルを利用して、ウエハＷに形成された膜のエッチングを行うエッチング処理や、改質ガスのラジカルにより、ウエハＷ上の物質の改質を行う改質処理を、各々、プラズマ処理として実施するプラズマ処理装置として構成してもよい。

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、添付の請求の範囲及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。

Ｗ ウエハ
１、１ａ 成膜装置
１５ 載置台
２ アノード電極
３ カソード電極
４０ プラズマ生成空間
５ イオントラップ部
５１ 供給流路
７２ 高周波電源

Claims (12)

1. 処理容器内の基板にプラズマ化した処理ガスを供給してプラズマ処理を行う装置であって、
   前記処理容器内に設けられ、前記基板を載置するための載置台と、
   各々、互いに対向させて配置される対向面を有し、高周波電源に接続されたカソード電極、及び接地端側のアノード電極からなる電極セットと、
   前記載置台の上方側の空間に、複数の前記電極セットを配置して得られた前記対向面の間の空間であって、前記処理ガスをプラズマ化するための複数のプラズマ生成空間と、
   前記複数のプラズマ生成空間に前記処理ガスを供給するための処理ガス供給部と、
   前記複数のプラズマ生成空間と前記載置台との間に配置され、前記プラズマ生成空間でプラズマ化した前記処理ガスを前記載置台側へ供給すると共に、前記プラズマ化した処理ガス中に含まれるイオンをシース領域にトラップするための、誘電体面を有する複数の供給流路が形成されたイオントラップ部と、を備えた、装置。
2. 前記イオントラップ部は、誘電体部材、または表面が誘電体により被覆された金属部材により構成される、請求項１に記載の装置。
3. 前記供給流路は、流路幅が０．１～１０ｍｍの範囲内に形成された領域を含む、請求項１または２に記載の装置。
4. 前記供給流路は、前記プラズマ生成空間側から流入した前記処理ガスの流れ方向と交差する向きに配置された前記誘電体面からなる衝突面を備える、請求項１ないし３のいずれか一つに記載の装置。
5. 前記プラズマ生成空間から前記載置台へ向かう前記処理ガスの流れと交差する方向である交差方向に沿って見たとき、前記カソード電極と前記アノード電極とのいずれか一方の電極は、当該一方の電極の本体を成す複数の金属部分と、複数の誘電体部分とを交互に配置して構成されることと、
   前記交差方向に沿って見たとき、前記一方の電極の前記複数の誘電体部分の配置位置に対応させて前記プラズマ生成空間に挿入された複数の誘電体部が設けられていることと、
   前記一方の電極と残る他方の電極とを、前記交差方向に沿って相対的に移動させ、前記一方の電極の金属部分を、前記誘電体部が配置されている領域に進入させることにより、前記対向面の面積を変化させるための駆動部を備えることと、を有する、請求項１ないし４のいずれか一つに記載の装置。
6. 前記対向面を構成する、前記カソード電極及び前記アノード電極の少なくとも一方の表面は、前記処理ガスのプラズマ化により発生したラジカルの再結合を抑えるための二酸化ケイ素膜で被覆されている、請求項１ないし５のいずれか一つに記載の装置。
7. 前記カソード電極または前記アノード電極の少なくとも一方には、前記処理ガスのプラズマ密度を高くするための凹部が形成されている、請求項１ないし６のいずれか一つに記載の装置。
8. 前記カソード電極及び前記アノード電極は、円柱状または円筒状に構成され、中央側から周縁側へ向けて、各々、複数の前記カソード電極及び前記アノード電極を同心円状に交互に配置することにより、前記複数の電極セットを構成する、請求項１ないし７のいずれか一つに記載の装置。
9. 前記処理ガスは、前記基板への成膜を行うための成膜ガスである、請求項１ないし８のいずれか一つに記載の装置。
10. 処理容器内の基板にプラズマ化した処理ガスを供給してプラズマ処理を行う方法であって、
    前記処理容器内に設けられ、前記基板を載置するための載置台と、
    各々、互いに対向させて配置される対向面を有し、高周波電源に接続されたカソード電極、及び接地端側のアノード電極からなる電極セットと、
    前記載置台の上方側の空間に、複数の前記電極セットを配置して得られた前記対向面の間の空間である複数のプラズマ生成空間と、
    前記複数のプラズマ生成空間と前記載置台側との間に配置され、前記プラズマ生成空間でプラズマ化した前記処理ガスを前記載置台側へ供給すると共に、誘電体面を有する複数の供給流路が形成されたイオントラップ部と、を備えた装置を用い、
    前記高周波電源から前記カソード電極に高周波電力を供給すると共に、前記プラズマ生成空間に前記処理ガスを供給して、当該処理ガスをプラズマ化する工程と、
    前記イオントラップ部の前記複数の供給流路に、前記プラズマ化した処理ガスを流して、前記誘電体面側に形成されるシース領域に、当該プラズマ化した処理ガス中に含まれるイオンをトラップする工程と、
    前記イオントラップ部の複数の前記供給流路を通過した前記処理ガスを前記載置台に載置された基板に供給してプラズマ処理を行う工程と、を含む方法。
11. 前記装置は、
    前記プラズマ生成空間から前記載置台へ向かう前記処理ガスの流れと交差する交差方向に沿って見たとき、前記カソード電極と前記アノード電極とのいずれか一方の電極は、当該一方の電極の本体を成す複数の金属部分と、複数の誘電体部分とを交互に配置して構成されることと、
    前記交差方向に沿って見たとき、前記一方の電極の前記複数の誘電体部分の配置位置に対応させて前記プラズマ生成空間に挿入された複数の誘電体部が設けられていることと、を有し、
    前記処理ガスをプラズマ化する工程を実施するにあたり、前記一方の電極と残る他方の電極とを、前記交差方向に沿って相対的に移動させ、前記一方の電極の金属部分を、前記誘電体部が配置されている領域に進入させることにより、前記対向面の面積を変化させる工程を含む、請求項１０に記載の方法。
12. 前記処理ガスは、前記基板への成膜を行うための成膜ガスである、請求項１０または１１に記載の方法。

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