JP2024014041A - 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】上壁部と載置台を短ギャップ化した場合でも、基板に対するプラズマ密度の均一性を確保すること。【解決手段】プラズマ処理装置は、ステージと、回転駆動機構と、複数のプラズマ源とを有する。ステージは、処理容器内に配置され、基板が載置される。回転駆動機構は、ステージを回転駆動する。複数のプラズマ源は、ステージと対向する処理容器の上壁部に設けられ、ステージの回転軸に対して軸対称には配置されていない。【選択図】図４

Description

本開示は、プラズマ処理装置及びプラズマ処理方法に関する。
従来より、マイクロ波を用いて処理容器内にプラズマを生成するプラズマ処理装置が知られている。特許文献１には、処理容器の天壁部の中央部分にマイクロ波を放射するアンテナモジュールを１個配置し、中央部分のアンテナモジュールを囲むように、中央部分よりも外側に６個のアンテナモジュールを配置して、プラズマの分布を均一化する技術が提案されている。
特開２０１２－２１６７４５号公報
本開示は、上壁部とステージを短ギャップ化した場合でも、基板に対してプラズマ密度を均一化する技術を提供する。
本開示の一態様によるプラズマ処理装置は、ステージと、回転駆動機構と、複数のプラズマ源とを有する。ステージは、処理容器内に配置され、基板が載置される。回転駆動機構は、ステージを回転駆動する。複数のプラズマ源は、ステージと対向する処理容器の上壁部に設けられ、ステージの回転軸に対して軸対称には配置されていない。
本開示によれば、上壁部とステージを短ギャップ化した場合でも、基板に対してプラズマ密度を均一化できる。
図１は、実施形態に係るプラズマ処理装置の一例を模式的に示す断面図である。 図２は、従来のアンテナモジュールの配置の一例を示す図である。 図３は、実施形態に係るアンテナモジュールの配置の一例を示す図である。 図４は、実施形態に係るプラズマ処理装置の動作を説明する図である。 図５は、実施形態に係るプラズマの広がりを求めた結果の一例を示す図である。 図６は、実施形態に係るプラズマの広がりとギャップの関係の一例を示す図である。 図７は、実施形態に係る載置台の径方向に対するプラズマ密度の分布を算出した結果の一例を示す図である。 図８は、実施形態と従来技術のプラズマ密度の分布を比較した結果の一例を示す図である 図９は、実施形態に係るシャワーヘッドの構成の一例を示す図である。 図１０は、実施形態に係るプラズマ処理の流れの一例を示すフローチャートである。
以下、図面を参照して本願の開示するプラズマ処理装置及びプラズマ処理方法の実施形態について詳細に説明する。なお、本実施形態により、開示するプラズマ処理装置及びプラズマ処理方法が限定されるものではない。
ところで、プラズマ処理装置は、生産性や、省エネルギー化などを考慮して、アンテナモジュールを配置する処理容器の上壁部と、基板を載置するステージのギャップを短くする短ギャップ化が望まれている。しかし、従来のようなアンテナモジュールの配置でそのまま短ギャップ化すると、プラズマが十分に広がらず、基板に対してプラズマ密度の均一性を確保できない。
そこで、上壁部と載置台を短ギャップ化した場合でも、基板に対してプラズマ密度を均一化する技術が期待されている。
［実施形態］
実施形態について説明する。図１は、実施形態に係るプラズマ処理装置１００の一例を模式的に示す断面図である。プラズマ処理装置１００は、マイクロ波によりプラズマを生成する装置である。図１に示すプラズマ処理装置１００は、処理容器１０１と、載置台１０２と、ガス供給機構１０３と、排気装置１０４と、マイクロ波導入装置１０５と、制御部２００とを有する。
処理容器１０１は、半導体ウエハなどの基板Ｗを収容する。処理容器１０１は、内部に載置台１０２が設けられている。載置台１０２には、基板Ｗが載置される。本実施形態では、載置台１０２が本開示のステージに対応する。
ガス供給機構１０３は、処理容器１０１内にガスを供給する。排気装置１０４は、処理容器１０１内を排気する。マイクロ波導入装置１０５は、処理容器１０１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ともに、処理容器１０１内にマイクロ波を導入する。制御部２００は、プラズマ処理装置１００の各部の動作を制御する。
処理容器１０１は、例えばアルミニウム及びその合金等の金属材料によって形成され、略円筒形状をなしている。処理容器１０１は、板状の天壁部１１１及び底壁部１１３と、これらを連結する側壁部１１２とを有している。処理容器１０１の内壁は、イットリア（Ｙ２Ｏ３）等をコーティングした保護膜が設けられている。
マイクロ波導入装置１０５は、処理容器１０１の上部に設けられ、処理容器１０１内に電磁波（マイクロ波）を導入してプラズマを生成する。マイクロ波導入装置１０５については後で詳細に説明する。
天壁部１１１には、マイクロ波導入装置１０５の後述するマイクロ波放射機構１４３が嵌め込まれる複数の開口部を有している。側壁部１１２は、処理容器１０１に隣接する搬送室（図示せず）との間で基板Ｗの搬入出を行うための搬入出口１１４を有している。また、側壁部１１２には、載置台１０２よりも上側となる位置にガス導入ノズル１２４が設けられている。搬入出口１１４は、ゲートバルブ１１５により開閉されるようになっている。
底壁部１１３には、開口部が設けられ、該開口部に接続された排気管１１６を介して排気装置１０４が設けられている。排気装置１０４は、真空ポンプと圧力制御バルブを備えている。排気装置１０４の真空ポンプにより排気管１１６を介して処理容器１０１内が排気される。処理容器１０１内の圧力は、排気装置１０４の圧力制御バルブにより制御される。
載置台１０２は、円板状に形成されている。載置台１０２は、例えば、表面に陽極酸化処理が施されたアルミニウム、又はセラミックス材料、例えば窒化アルミニウム（ＡｌＮ）により構成されている。載置台１０２は、上面に基板Ｗが載置される。載置台１０２は、下面の中央部分で、円筒状のＡｌＮ等のセラミックスからなる支持部材１２０により支持されている。処理容器１０１の底部中央には、回転駆動機構１２１が設けられている。回転駆動機構１２１は、支持部材１２０を回転可能に支持する。載置台１０２は、支持部材１２０及び回転駆動機構１２１により回転可能に支持されている。回転駆動機構１２１は、モータが内蔵され、モータの駆動力により、支持部材１２０を回転させることで載置台１０２を回転させる。載置台１０２は、円板状の中心軸を回転軸として周方向に回転する。載置台１０２の外縁部には基板Ｗをガイドするためのガイドリング１８１が設けられている。また、載置台１０２の内部には、基板Ｗを昇降するための昇降ピン（図示せず）が載置台１０２の上面に対して突没可能に設けられている。
載置台１０２は、抵抗加熱型のヒータ１８２が埋め込まれている。また、載置台１０２には、ヒータ１８２の上方に基板Ｗと同程度の大きさの電極１８４が埋設されている。また、載置台１０２は、熱電対（図示せず）が挿入されている。支持部材１２０のヒータ１８２や、電極１８４、熱電対は、回転駆動機構１２１に電気的に接続されている。例えば、回転駆動機構１２１には、スリップリングが設けられ、ヒータ１８２や、電極１８４、熱電対に接続された配線とスリップリングを介して導通している。ヒータ１８２は、回転駆動機構１２１を介して、ヒータ電源１８３と接続されている。電極１８４は、回転駆動機構１２１を介して、ＤＣ電源部１２２と接続されている。熱電対は、回転駆動機構１２１を介して、制御部２００と接続されている。ヒータ１８２は、ヒータ電源１８３から給電されることにより載置台１０２に載置された基板Ｗを加熱する。また、載置台１０２は、熱電対からの信号に基づいて、基板Ｗの加熱温度を制御可能とされている。ＤＣ電源部１２２は、周期的に直流電圧を載置台１０２内の電極１８４に印加する。例えば、ＤＣ電源部１２２は、直流電源と、パルスユニットを含んで構成されている。ＤＣ電源部１２２は、直流電源が供給する直流電圧をパルスユニットによりオン、オフしてパルス状の直流電圧を周期的に電極１８４に印加する。
ガス供給機構１０３は、各種のガスを処理容器１０１内に供給する。ガス供給機構１０３は、ガス導入ノズル１２４と、ガス供給配管１２６と、ガス供給部１２７とを有している。ガス導入ノズル１２４は、処理容器１０１の側壁部１１２に形成された開口部に嵌め込まれている。ガス供給部１２７は、ガス供給配管１２６を介して各ガス導入ノズル１２４と接続されている。ガス供給部１２７は、各種のガスの供給源を有する。また、ガス供給部１２７は、各種のガスの供給開始、及び供給停止をおこなう開閉バルブや、ガスの流量を調整する流量調整部が備えられている。ガス供給部１２７は、プラズマ処理に用いる処理ガスなど各種のガスを供給する。
マイクロ波導入装置１０５は、処理容器１０１の上方に設けられている。マイクロ波導入装置１０５は、処理容器１０１内に電磁波（マイクロ波）を導入してプラズマを生成する。
マイクロ波導入装置１０５は、マイクロ波出力部１３０と、アンテナユニット１４０とを有する。マイクロ波出力部１３０は、マイクロ波を生成するとともに、マイクロ波を複数の経路に分配して出力する。アンテナユニット１４０は、マイクロ波出力部１３０から出力されたマイクロ波を処理容器１０１に導入する。
マイクロ波出力部１３０は、マイクロ波電源と、マイクロ波発振器と、アンプと、分配器とを有している。マイクロ波発振器は、ソリッドステートであり、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、７００ＭＨｚから１０ＧＨｚの範囲のものを用いることができる。アンプは、マイクロ波発振器によって発振されたマイクロ波を増幅する。分配器は、アンプ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。
アンテナユニット１４０は、複数のアンテナモジュール１４１を有する。図１には、アンテナユニット１４０の２つのアンテナモジュール１４１が示されている。本実施形態では、処理容器１０１内へ電磁波（マイクロ波）を供給するように構成されたアンテナモジュール１４１が本開示のプラズマ源に対応する。
複数のアンテナモジュール１４１は、載置台１０２が回転する回転軸に対して軸対称に配置されておらず、載置台１０２の回転軸に対して非対称に配置されている。各アンテナモジュール１４１は、アンプ部１４２と、マイクロ波放射機構１４３とを有する。マイクロ波出力部１３０は、マイクロ波を生成するとともに、マイクロ波を分配して各アンテナモジュール１４１に出力する。アンテナモジュール１４１のアンプ部１４２は、分配されたマイクロ波を主に増幅してマイクロ波放射機構１４３に出力する。マイクロ波放射機構１４３は、天壁部１１１に設けられている。マイクロ波放射機構１４３は、アンプ部１４２から出力されたマイクロ波を処理容器１０１内に放射する。本実施形態では、天壁部１１１が本開示の処理容器１０１の上壁部に対応する。
アンプ部１４２は、位相器と、可変ゲインアンプと、メインアンプと、アイソレータとを有する。位相器は、マイクロ波の位相を変化させる。可変ゲインアンプは、メインアンプに入力されるマイクロ波の電力レベルを調整する。メインアンプは、ソリッドステートアンプとして構成されている。アイソレータは、後述するマイクロ波放射機構１４３のアンテナ部で反射されてメインアンプに向かう反射マイクロ波を分離する。
複数のマイクロ波放射機構１４３は、図１に示すように、天壁部１１１に設けられている。また、マイクロ波放射機構１４３は、筒状をなす外側導体と、外側導体内に外側導体と同軸状に設けられた内側導体とを有する。また、マイクロ波放射機構１４３は、外側導体と内側導体との間に、マイクロ波伝送路を有する同軸管と、マイクロ波を処理容器１０１内に放射するアンテナ部とを有する。アンテナ部の下面側には、天壁部１１１に嵌め込まれているマイクロ波透過板１６３が設けられている。マイクロ波透過板１６３の下面は、処理容器１０１の内部空間に露出している。マイクロ波透過板１６３を透過したマイクロ波は、処理容器１０１内の空間にプラズマを生成する。なお、マイクロ波透過板１６３が設けられた位置が、プラズマ源が配置される位置と考えることができる。
アンテナユニット１４０は、各アンテナモジュール１４１のアンプ部１４２を制御することで、各アンテナモジュール１４１のマイクロ波放射機構１４３から放射するマイクロ波の電力（パワー）を調整可能とされている。
天壁部１１１は、リモートプラズマを導入するための導入部１５０が設けられている。導入部１５０は、載置台１０２の回転軸に対応する位置に設けられている。例えば、導入部１５０は、載置台１０２の回転軸上に設けられている。導入部１５０には、配管１５１を介してリモートプラズマユニット１５２が接続されている。リモートプラズマユニット１５２は、クリーニングの際、クリーニングガスのリモートプラズマを生成し、配管１５１に供給する。クリーニングガスとしては、例えば、ＮＦ３ガスが挙げられる。プラズマ化されたクリーニングガスは、配管１５１を介して導入部１５０から処理容器１０１内に導入される。
上記のように構成されたプラズマ処理装置１００は、制御部２００によって、動作が統括的に制御される。制御部２００には、ユーザインターフェース２１０と、記憶部２２０とが接続されている。
ユーザインターフェース２１０は、工程管理者がプラズマ処理装置１００を管理するためにコマンドの入力操作を行うキーボード等の操作部や、プラズマ処理装置１００の稼動状況を可視化して表示するディスプレイ等の表示部から構成されている。ユーザインターフェース２１０は、各種の動作を受け付ける。例えば、ユーザインターフェース２１０は、プラズマ処理の開始を指示する所定操作を受け付ける。
記憶部２２０は、各種のデータを記憶する記憶デバイスである。例えば、記憶部２２０は、ハードディスク、ＳＳＤ（Solid State Drive）、光ディスクなどの記憶装置である。なお、記憶部２２０は、ＲＡＭ（Random Access Memory）、フラッシュメモリ、ＮＶＳＲＡＭ（Non Volatile Static Random Access Memory）などのデータを書き換え可能な半導体メモリであってもよい。
記憶部２２０は、制御部２００で実行されるＯＳ（Operating System）や各種レシピを記憶する。例えば、記憶部２２０は、プラズマ処理を実行するレシピや、処理容器１０１内のクリーニングを実行するレシピを含む各種のレシピを記憶する。さらに、記憶部２２０は、レシピで用いられる各種データを記憶する。なお、プログラムやデータは、コンピュータで読み取り可能なコンピュータ記録媒体（例えば、ハードディスク、ＣＤ、フレキシブルディスク、半導体メモリ等）などに格納された状態のものを利用してもよい。或いは、プログラムやデータは、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したりすることも可能である。
制御部２００は、プラズマ処理装置１００を制御するデバイスである。制御部２００としては、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＭＰＵ（Micro Processing Unit）等の電子回路や、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）等の集積回路を採用できる。制御部２００は、各種の処理手順を規定したプログラムや制御データを格納するための内部メモリを有し、これらによって種々の処理を実行する。
制御部２００は、プラズマ処理装置１００の各部を制御する。例えば、制御部２００は、記憶部２２０に記憶したレシピデータのレシピに従い、プラズマ処理やクリーニングを実施するようプラズマ処理装置１００の各部を制御する。例えば、プラズマ処理装置１００は、載置台１０２に載置された基板Ｗに対してプラズマ処理を実施する。プラズマ処理装置１００は、処理容器１０１内にマイクロ波によるプラズマを生成する。
ここで、従来のプラズマ処理装置は、基板に対するプラズマ密度を均一化するため、複数のプラズマ源が基板の中心であるステージの中心に対して対称に配置される。比較例として、従来のプラズマ源の配置の一例を説明する。例えば、特許文献１のプラズマ処理装置では、処理容器の天壁部の中央部分に１個のアンテナモジュールを配置し、中央部分のアンテナモジュールを囲むように、中央部分よりも外側に６個のアンテナモジュールを配置する。
図２は、従来のアンテナモジュール１４１の配置の一例を示す図である。天壁部１１１には、アンテナモジュール１４１が７個設けられている。図２では、アンテナモジュール１４１のマイクロ波放射機構１４３を「ＣＥＬＬ」として示している。マイクロ波放射機構１４３は、６個が正六角形の頂点となるように配置され、さらに１個が正六角形の中心位置に配置されている。また、天壁部１１１には、７個のマイクロ波放射機構１４３にそれぞれ対応してマイクロ波透過板１６３が配置されている。これら７個のマイクロ波透過板１６３は、隣接するマイクロ波透過板１６３が等間隔になるように配置されている。
ところで、上述のように、プラズマ処理装置１００は、生産性や、省エネルギー化などを考慮して、天壁部１１１と、載置台１０２のギャップを短くする短ギャップ化が望まれている。また、コストダウンの観点から、アンテナモジュール１４１の数を減らすことなども望まれている。しかし、従来のようなアンテナモジュール１４１の配置でそのまま短ギャップ化すると、アンテナモジュール１４１の配置が転写され、基板Ｗに対してプラズマの均一性が確保できない。例えば、図２の場合、７個のアンテナモジュール１４１の配置が基板Ｗに転写されてしまう。
そこで、実施形態に係るプラズマ処理装置１００は、回転駆動機構１２１により支持部材１２０を回転させることで載置台１０２を回転可能に構成している。また、実施形態に係るプラズマ処理装置１００は、天壁部１１１に複数のアンテナモジュール１４１を載置台１０２が回転する回転軸に対して軸対称に配置しておらず、載置台１０２の回転軸に対して非対称に配置している。図３は、実施形態に係るアンテナモジュール１４１の配置の一例を示す図である。天壁部１１１には、アンテナモジュール１４１が４個設けられている。図３でも、アンテナモジュール１４１のマイクロ波放射機構１４３を「ＣＥＬＬ」として示している。複数のアンテナモジュール１４１は、それぞれ所定のパワーでプラズマを生成した場合に、載置台１０２の径方向に対するプラズマ密度の分布が所定範囲内となるように天壁部１１１に配置される。所定範囲は、プラズマ処理で求められる条件に応じて定められる。
図４は、実施形態に係るプラズマ処理装置１００の動作を説明する図である。実施形態に係るプラズマ処理装置１００は、載置台１０２を回転させつつ、各アンテナモジュール１４１からマイクロ波を導入して処理容器１０１内にマイクロ波によるプラズマを生成する。例えば、制御部２００は、基板Ｗに対してプラズマ処理を行う際、回転駆動機構１２１により載置台１０２を回転駆動させる。制御部２００は、ガス供給部１２７及びマイクロ波導入装置１０５を制御し、ガス供給部１２７からプラズマ処理に用いる処理ガスを処理容器１０１内に供給しつつ、各アンテナモジュール１４１からマイクロ波を処理容器１０１内に導入してプラズマを生成する。
実施形態に係るプラズマ処理装置１００は、回転駆動機構１２１により載置台１０２を回転可能としたことにより、アンテナモジュール１４１を、載置台１０２の回転軸に対して軸対称に配置していなくても、基板Ｗに対してプラズマ密度を均一化できる。また、実施形態に係るプラズマ処理装置１００は、アンテナモジュール１４１の個数を減らすことができ、コストダウンを実現できる。また、実施形態に係るプラズマ処理装置１００は、アンテナモジュール１４１の個数を従来より少なくしても基板に対してプラズマ密度を均一に保つことができる。
ところで、従来の装置形態では、プラズマ密度の均一性を確保するためにアンテナモジュール１４１を中央に配置する必要があった。このため、従来の装置形態では、処理容器１０１内をダイレクトプラズマよりもマイルドなリモートプラズマでクリーニングしたい場合であっても、中央からリモートプラズマを導入することが不可能であり、このため、処理容器１０１内のクリーニングを均一に行うことができなかった。
これに対して、実施形態に係るプラズマ処理装置１００は、天壁部１１１の中央にアンテナモジュール１４１を配置する必要がない。実施形態に係るプラズマ処理装置１００は、リモートプラズマを導入するための導入部１５０を天壁部１１１の中央付近に設けている。導入部１５０は、載置台１０２の回転軸に対応する位置に設けられている。プラズマ処理装置１００は、クリーニングの際、クリーニングガスのリモートプラズマをリモートプラズマユニット１５２により生成し、プラズマ化したクリーニングガスを配管１５１を介して導入部１５０から処理容器１０１内に導入する。このように、実施形態に係るプラズマ処理装置１００は、リモートプラズマによりプラズマ化したクリーニングガスを天壁部１１１の中央付近から処理容器１０１内に導入することで、処理容器１０１内を均一にクリーニングできる。
次に、実施形態に係るプラズマ処理装置１００でのアンテナモジュール１４１の配置について説明する。アンテナモジュール１４１は、マイクロ波によりプラズマを生成する。マイクロ波により生成されるプラズマは、アンテナモジュール１４１からの距離が離れるほど密度が低下する。図５は、実施形態に係るプラズマの広がりを求めた結果の一例を示す図である。図５は、１つのアンテナモジュール１４１からマイクロ波を放射して生成した際のプラズマ密度の分布を示している。図５の横軸は、マイクロ波透過板１６３の中心の直下となる載置台１０２上の位置を基準点として、載置台１０２上での基準点から距離である。縦軸は、プラズマ密度である。プラズマ密度は、規格化した値としている。線Ｌ１１は、載置台１０２上での基準点から距離ｒでのプラズマ密度を測定した結果である。線Ｌ１１は、以下の式（１）により近似できる。フィッティングにより、式（１）のパラメータａの値を定める。線Ｌ１２は、フィッティングにより定めたパラメータａの値を適用した式（１）から求めた線である。
Figure 2024014041000002
ここで、
ｄは、プラズマ密度である。
ｒは、載置台１０２上での距離である。
ａは、パラメータである。
図６は、実施形態に係るプラズマの広がりとギャップの関係の一例を示す図である。図６は、アンテナモジュール１４１を設けた天壁部１１１と載置台１０２との距離（Ｇａｐ）とプラズマ密度分布が半分となる半値幅の関係を示している。図６の横軸は、アンテナモジュール１４１を設けた天壁部１１１と載置台１０２との距離（Ｇａｐ）である。縦軸は、プラズマ密度分布が半分となる半値幅である。図６には、距離（Ｇａｐ）をｘとし、半値幅をｙとして、ｘとｙの関係を近似した近似直線と、近似直線の式が示されている。図６に示すように、天壁部１１１と載置台１０２とのＧａｐが小さくなるほど、プラズマ密度の半値幅が小さくなる。例えば、ギャップが４０ｍｍでは、半値幅が３７．６ｍｍとなっている。このため、天壁部１１１と、載置台１０２のギャップを短くすると、各アンテナモジュール１４１により生成されるプラズマが十分に広がらず、基板Ｗに対するプラズマ密度の均一性を確保できない。
一方、実施形態に係るプラズマ処理装置１００は、載置台１０２を回転可能に構成することで、各アンテナモジュール１４１を載置台１０２の回転軸に対して非対称に配置し、更にアンテナモジュール１４１の数を従来より減らしても、基板Ｗに対してプラズマ密度を均一化できる。
実施形態に係るアンテナモジュール１４１の配置の一例を説明する。基板処理の際、基板Ｗは、載置台１０２の回転に伴い回転する。各アンテナモジュール１４１は、載置台１０２の径方向に対して、プラズマ密度の均一性が確保されるように、載置台１０２の径方向に対する位置、及び、マイクロ波を放射するパワーを定めればよい。
図７は、実施形態に係る載置台１０２の径方向に対するプラズマ密度の分布を算出した結果の一例を示す図である。図７の横軸は、載置台１０２の中心から径方向に対する距離である。縦軸は、プラズマ密度である。プラズマ密度は、規格化した値としている。図７Ｂの左側には、載置台１０２の径方向に対するプラズマ密度の全体的な分布を示すグラフが示されている。図７の右側には、プラズマ密度が０．９９８から１．００３付近のグラフを拡大した拡大図が示されている。
各アンテナモジュール１４１は、載置台１０２の中心から距離ｒが０≦ｒ≦２２０の範囲に配置するものとする。各アンテナモジュール１４１は、それぞれ載置台１０２の中心側からの距離をｒｉとし、マイクロ波を放射するパワーをｐｉとする。ｉは、載置台１０２の中心に近い側から各アンテナモジュール１４１に対して１から順に付与した番号である。マイクロ波を放射するパワーＰは、最も内側の番号ｉ＝１のアンテナモジュール１４１のパワーＰ１を１とし（Ｐ１＝１）、番号ｉ≦２の各アンテナモジュール１４１のパワーＰｉを０．５以上および２以下の範囲とする（０．５≦Ｐｉ≦２）。
最初に、算出例１として、天壁部１１１と載置台１０２とのギャップを８０ｍｍとし、アンテナモジュール１４１を７個配置した場合のプラズマ密度の分布を計算した例を説明する。ギャップが８０ｍｍの場合、プラズマ密度の半値幅は、６１．２ｍｍとなる。７個（ｉ＝１～７）のアンテナモジュール１４１の配置位置は、ｒ１＝５３．２、ｒ２＝１１１、ｒ３＝１３６、ｒ４＝１６２、ｒ５＝２２０、ｒ６＝２２０、ｒ７＝２２０とする。また、７個（ｉ＝１～７）のアンテナモジュール１４１がマイクロ波を放射するパワーＰは、ｐ１＝１、ｐ２＝０．９５２、ｐ３＝１．６０、ｐ４＝０．８３５、ｐ５＝１．７９、ｐ６＝１．８１、ｐ７＝１．８２とする。図７には、算出例１のプラズマ密度の分布が破線で記載されている。算出例１は、プラズマ密度をほぼ１．０００に均一化できる。
次に、算出例２として、天壁部１１１と載置台１０２とのギャップを４０ｍｍとし、アンテナモジュール１４１を７個配置した場合のプラズマ密度の分布を計算した例を説明する。ギャップが４０ｍｍの場合、プラズマ密度の半値幅は、３７．６ｍｍとなる。７個（ｉ＝１～７）のアンテナモジュール１４１の配置位置は、ｒ１＝３６．６、ｒ２＝８１．４、ｒ３＝１１８、ｒ４＝１４０、ｒ５＝１７１、ｒ６＝１８６、ｒ７＝１８６とする。また、４個（ｉ＝１～７）のアンテナモジュール１４１がマイクロ波を放射するパワーＰは、ｐ１＝１、ｐ２＝ｐ３＝ｐ４＝ｐ５＝ｐ６＝ｐ７＝２．０とする。図７には、算出例２のプラズマ密度の分布が実線で記載されている。算出例２は、算出例１と比較すると、凹凸があるものの、１．００３～０．９９８の範囲内であり、プラズマ密度を十分に均一化できている。
図８は、実施形態と従来技術のプラズマ密度の分布を比較した結果の一例を示す図である。図８の横軸は、載置台１０２の中心から径方向に対する距離である。縦軸は、プラズマ密度である。プラズマ密度は、規格化して示している。図８の左側には、載置台１０２の径方向に対するプラズマ密度の全体的な分布を示すグラフが示されており、図８の右側には、プラズマ密度が０．９８から１．０４付近のグラフを拡大した拡大図が示されている。
図８には、上述した算出例１のプラズマ密度の分布が示されている。また、図８には、算出例３のプラズマ密度の分布が示されている。算出例３は、天壁部１１１と載置台１０２とのギャップを４０ｍｍとし、アンテナモジュール１４１を４個配置した場合のプラズマ密度の分布を計算したものである。４個（ｉ＝１～４）のアンテナモジュール１４１の配置位置は、ｒ１＝４５．３、ｒ２＝１０２、ｒ３＝１５１、ｒ４＝１７０とする。また、４個（ｉ＝１～４）のアンテナモジュール１４１がマイクロ波を放射するパワーＰは、ｐ１＝１、ｐ２＝ｐ３＝ｐ４＝２．０とする。また、図８には、比較例のプラズマ密度の分布が示されている。比較例は、図２に示したように、正六角形の頂点と正六角形の中心とに７個のアンテナモジュール１４１を配置した場合である。比較例は、７個のアンテナモジュール１４１がマイクロ波を放射するパワーＰのみ最適化している。図８に示すように、算出例１及び算出例３は、比較例よりも、プラズマ密度を均一化できている。例えば、算出例３は、アンテナモジュール１４１の数を４個に減らした場合でも、プラズマ密度を十分に均一化できている。
なお、実施形態に係るプラズマ処理装置１００において、天壁部１１１に配置するアンテナモジュール１４１の数は、４個又は７個に限定されるものではない。アンテナモジュール１４１の数は、７個以下であれば、何れであってもよい。また、各アンテナモジュール１４１の配置位置及びマイクロ波を放射するパワーＰは、一例であり、これに限定されるものではない。配置位置及びパワーＰは、プラズマ密度の分布が、プラズマ処理で満たすべき所定範囲内となるように定めればよい。
このようにプラズマ密度を均一となるように配置位置及びパワーＰを最適化した場合、各アンテナモジュール１４１は、載置台１０２が回転する回転軸に対して軸対称に配置されず、載置台１０２の回転軸に対して非対称に配置される。また、各アンテナモジュール１４１は、載置台１０２の径方向に対する配置密度が外側ほど高くなるように配置される。すなわち、各アンテナモジュール１４１は、載置台１０２の径方向の外側ほど径方向の間隔が短く配置される。
各アンテナモジュール１４１は、天壁部１１１の片側などに偏って配置した場合、重量のバランスが悪くなる。また、各アンテナモジュール１４１は、天壁部１１１の片側などに偏って配置した場合、周囲の空間が狭くなって配線などの取り回しが悪化し、また、他の部材との干渉が発生する場合がある。このため、各アンテナモジュール１４１は、互いの距離が離れるように天壁部１１１に配置することが好ましい。例えば、各アンテナモジュール１４１は、載置台１０２の回転方向に対して、載置台１０２の径方向に対する内側と外側のアンテナモジュール１４１が、交互に出現するように配置されることが好ましい。
実施形態に係るプラズマ処理装置１００は、載置台１０２を回転可能に構成することで、天壁部１１１に配置するアンテナモジュール１４１の数を減らした場合でも、基板Ｗに対してプラズマ密度を十分に均一化できる。また、プラズマ処理装置１００は、天壁部１１１にアンテナモジュール１４１を載置台１０２の回転軸に対して非対称に配置できる。天壁部１１１は、図３に示すように、アンテナモジュール１４１の数が減ることで、マイクロ波透過板１６３の領域が占める割合が低下する。また、天壁部１１１は、中央付近に、マイクロ波透過板１６３を配置しなくてもよくなる。そこで、実施形態に係るプラズマ処理装置１００は、アンテナモジュール１４１を配置していない天壁部１１１にガスを噴出するシャワーヘッドを設けてもよい。図９は、実施形態に係るシャワーヘッドの構成の一例を示す図である。図９には、シャワーヘッド１９０の構成の一例が示されている。シャワーヘッド１９０は、天壁部１１１の処理容器１０１の内面側の面のアンテナモジュール１４１が配置されていない部分に設けられている。シャワーヘッド１９０は、それぞれガスを噴出する噴出口１９１が下面に形成されている。これにより、実施形態に係るプラズマ処理装置１００は、基板Ｗ全体に対して、上面側からガスを供給できる。
シャワーヘッド１９０は、領域ごとに、ガスの種類及び噴出量を調整可能に構成してもよい。例えば、シャワーヘッド１９０は、領域ごとに、区画した複数の空間１９２を内部に形成する。噴出口１９１は、何れかの空間１９２と連通する。各空間１９２は、不図示の配管を介してガス供給部１２７に接続される。ガス供給部１２７は、プラズマ処理に用いる処理ガスなど各種のガスを配管を介して各空間１９２にそれぞれ供給する。噴出口１９１は、連通する空間１９２に供給されたガスを噴出する。これにより、実施形態に係るプラズマ処理装置１００は、領域ごとに、上面側から供給するガスの種類及び噴出量を調整できる。なお、天壁部１１１内に空間１９２を設けることで、シャワーヘッド１９０を天壁部１１１と一体になるように設けてもよい。
［プラズマ処理方法］
次に、実施形態に係るプラズマ処理方法によるプラズマ処理の流れについて説明する。図１０は、実施形態に係るプラズマ処理の流れの一例を示すフローチャートである。プラズマ処理装置１００では、プラズマ処理を実施する際、プラズマ処理の対象とされた基板Ｗが載置台１０２に載置される。
プラズマ処理装置１００は、載置台１０２を回転させる（ステップＳ１０）。例えば、制御部２００は、回転駆動機構１２１により載置台１０２を回転駆動させる。
プラズマ処理装置１００は、処理ガスを処理容器１０１内に供給しつつ、処理容器１０１内にプラズマを生成し、基板Ｗに対してプラズマ処理を実施する（ステップＳ１１）。例えば、制御部２００は、ガス供給部１２７及びマイクロ波導入装置１０５を制御し、ガス供給部１２７から処理ガスを処理容器１０１内に供給しつつ、各アンテナモジュール１４１からマイクロ波を処理容器１０１内に導入してプラズマを生成する。
プラズマ処理装置１００は、処理終了するか否かを判定する（ステップＳ１２）。例えば、制御部２００は、プラズマ処理を開始してから所定の処理時間経過したか否かを判定し、所定の処理時間を経過した場合（ステップＳ１２：Ｙｅｓ）、処理を終了する。一方、所定の処理時間を経過していない場合（ステップＳ１２：Ｎｏ）、ステップＳ１０に移行して、処理を継続する。
以上のように、実施形態に係るプラズマ処理装置１００は、載置台１０２（ステージ）と、回転駆動機構１２１と、複数のアンテナユニット１４０（プラズマ源）とを有する。載置台１０２は、処理容器１０１内に配置され、基板Ｗが載置される。回転駆動機構１２１は、載置台１０２を回転駆動する。複数のアンテナユニット１４０は、載置台１０２と対向する処理容器１０１の天壁部１１１（上壁部）に設けられ、載置台１０２の回転軸に対して軸対称には配置されていない。これにより、実施形態に係るプラズマ処理装置１００は、天壁部１１１と載置台１０２を短ギャップ化した場合でも、基板Ｗに対してプラズマ密度を均一化できる。
また、複数のアンテナユニット１４０は、それぞれ所定のパワーでプラズマを生成した場合に、載置台１０２の径方向に対するプラズマ密度の分布が所定範囲内となるように配置されている。制御部２００は、載置台１０２に載置された基板Ｗに対してプラズマ処理を行う際、回転駆動機構１２１により載置台１０２を回転駆動させつつ、複数のアンテナユニット１４０からそれぞれ所定のパワーでプラズマを生成するように制御する。これにより、実施形態に係るプラズマ処理装置１００は、天壁部１１１と載置台１０２を短ギャップ化した場合でも、載置台１０２の径方向に対するプラズマ密度の分布を所定範囲内とすることができ、基板Ｗに対してプラズマ密度を均一化できる。
また、複数のアンテナユニット１４０は、載置台１０２の径方向に対してそれぞれ異なる位置に設けられている。また、複数のアンテナユニット１４０は、載置台１０２の径方向に対する配置密度が外側ほど高くなるように配置されている。これにより、実施形態に係るプラズマ処理装置１００は、載置台１０２の径方向に対してプラズマ密度を均一化できる。
また、複数のアンテナユニット１４０は、載置台１０２の回転方向に対して、載置台１０２の径方向に対する内側と外側のアンテナユニット１４０が、交互に出現するように配置されている。また、複数のアンテナユニット１４０は、互いの距離が離れるように配置されている。これにより、実施形態に係るプラズマ処理装置１００は、各アンテナモジュール１４１の周囲に空間を確保でき、配線などの取り回しの悪化や、他の部材との干渉の発生を抑制できる。また、処理容器１０１内で各アンテナモジュールから導入される電磁波の干渉を抑制できる。
また、複数のアンテナユニット１４０は、天壁部１１１の載置台１０２の回転軸に対応する位置に配置されてない。また、天壁部１１１の載置台１０２の回転軸に対応する位置にリモートプラズマを導入する導入部１５０が設けられている。これにより、実施形態に係るプラズマ処理装置１００は、リモートプラズマによりプラズマ化したクリーニングガスを天壁部１１１の中央付近から処理容器１０１内に導入でき、処理容器１０１内を均一にクリーニングできる。
また、複数のアンテナユニット１４０の個数は、７個以下である。実施形態に係るプラズマ処理装置１００は、アンテナユニット１４０の個数が７個以下（例えば４個）の場合でも、基板Ｗに対するプラズマ密度の均一性を確保できる。
また、処理容器１０１は、複数のアンテナユニット１４０が配置されていない天壁部１１１にガスを噴出するシャワーヘッドが設けられている。これにより、実施形態に係るプラズマ処理装置１００は、基板Ｗ全体に対して、上面側からガスを供給できる。
以上、実施形態について説明してきたが、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。実に、上述した実施形態は、多様な形態で具現され得る。また、上述した実施形態は、請求の範囲及びその趣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、上記の実施形態では、基板Ｗを半導体ウエハとした場合を例に説明したが、これに限定されるものではない。基板Ｗは、何れであってもよい。
また、上記の実施形態では、プラズマ源を、マイクロ波を用いてプラズマを生成するアンテナモジュール１４１とした場合を例に説明したが、これに限定されるものではない。プラズマ源は、プラズマを生成可能であれば、何れであってもよい。
また、上記の実施形態では、プラズマ処理装置をマイクロ波によりプラズマを生成する装置とした場合を例に説明したが、これに限定されるものではない。プラズマ処理装置は、複数のプラズマ源によりプラズマを生成する装置であれば、何れの装置であってもよい。
なお、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。実に、上記した実施形態は多様な形態で具現され得る。また、上記の実施形態は、添付の特許請求の範囲及びその趣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。
なお、以上の実施形態に関し、さらに以下の付記を開示する。
（付記１）
処理容器内に配置され、基板が載置されるステージと、
前記ステージを回転駆動する回転駆動機構と、
前記ステージと対向する前記処理容器の上壁部に設けられ、ステージの回転軸に対して軸対称には配置されていない複数のプラズマ源と、
を有するプラズマ処理装置。
（付記２）
前記複数のプラズマ源は、それぞれ所定のパワーでプラズマを生成した場合に、前記ステージの径方向に対するプラズマ密度の分布が所定範囲内となるように配置され、
前記ステージに載置された基板に対してプラズマ処理を行う際、前記回転駆動機構により前記ステージを回転駆動させつつ、前記複数のプラズマ源からそれぞれ前記所定のパワーでプラズマを生成するように制御する制御部をさらに有する
付記１に記載のプラズマ処理装置。
（付記３）
前記複数のプラズマ源は、前記ステージの径方向に対してそれぞれ異なる位置に設けられた付記１又は２に記載のプラズマ処理装置。
（付記４）
前記複数のプラズマ源は、前記ステージの回転方向に対して、前記ステージの径方向に対する内側と外側の前記プラズマ源が、交互に出現するように配置された付記１～３の何れか１つに記載のプラズマ処理装置。
（付記５）
前記複数のプラズマ源は、前記ステージの径方向に対する配置密度が外側ほど高くなるように配置された付記１～４の何れか１つに記載のプラズマ処理装置。
（付記６）
前記複数のプラズマ源は、互いの距離が離れるように配置された付記１～５の何れか１つに記載のプラズマ処理装置。
（付記７）
前記複数のプラズマ源は、前記上壁部の前記ステージの回転軸に対応する位置に配置されてない
付記１～６の何れか１つに記載のプラズマ処理装置。
（付記８）
前記上壁部の前記ステージの回転軸に対応する位置にリモートプラズマを導入する導入部が設けられた
付記７に記載のプラズマ処理装置。
（付記９）
前記複数のプラズマ源の個数は、７個以下である
付記１～８の何れか１つに記載のプラズマ処理装置。
（付記１０）
前記処理容器は、前記複数のプラズマ源が配置されていない前記上壁部にガスを噴出するシャワーヘッドが設けられている
付記１～９の何れか１つに記載のプラズマ処理装置。
（付記１１）
処理容器内に配置され、基板が載置されたステージを回転駆動させ、
前記ステージと対向する前記処理容器の上壁部に設けられ、前記ステージの回転軸に対して軸対称には配置されていない複数のプラズマ源によりプラズマを生成する
プラズマ処理方法。
１００ プラズマ処理装置
１０１ 処理容器
１０２ 載置台
１０５ マイクロ波導入装置
１１１ 天壁部
１２０ 支持部材
１２１ 回転駆動機構
１２４ ガス導入ノズル
１２６ ガス供給配管
１２７ ガス供給部
１３０ マイクロ波出力部
１４０ アンテナユニット
１４１ アンテナモジュール
１４２ アンプ部
１４３ マイクロ波放射機構
１５０ 導入部
１５１ 配管
１５２ リモートプラズマユニット
１６３ マイクロ波透過板
１９０ シャワーヘッド
１９１ 噴出口
１９２ 空間
２００ 制御部
２１０ ユーザインターフェース
２２０ 記憶部
Ｗ 基板

Claims (11)

  1. 処理容器内に配置され、基板が載置されるステージと、
    前記ステージを回転駆動する回転駆動機構と、
    前記ステージと対向する前記処理容器の上壁部に設けられ、ステージの回転軸に対して軸対称には配置されていない複数のプラズマ源と、
    を有するプラズマ処理装置。
  2. 前記複数のプラズマ源は、それぞれ所定のパワーでプラズマを生成した場合に、前記ステージの径方向に対するプラズマ密度の分布が所定範囲内となるように配置され、
    前記ステージに載置された基板に対してプラズマ処理を行う際、前記回転駆動機構により前記ステージを回転駆動させつつ、前記複数のプラズマ源からそれぞれ前記所定のパワーでプラズマを生成するように制御する制御部をさらに有する
    請求項１に記載のプラズマ処理装置。
  3. 前記複数のプラズマ源は、前記ステージの径方向に対してそれぞれ異なる位置に設けられた請求項１に記載のプラズマ処理装置。
  4. 前記複数のプラズマ源は、前記ステージの回転方向に対して、前記ステージの径方向に対する内側と外側の前記プラズマ源が、交互に出現するように配置された請求項１に記載のプラズマ処理装置。
  5. 前記複数のプラズマ源は、前記ステージの径方向に対する配置密度が外側ほど高くなるように配置された請求項１に記載のプラズマ処理装置。
  6. 前記複数のプラズマ源は、互いの距離が離れるように配置された請求項１に記載のプラズマ処理装置。
  7. 前記複数のプラズマ源は、前記上壁部の前記ステージの回転軸に対応する位置に配置されてない
    請求項１に記載のプラズマ処理装置。
  8. 前記上壁部の前記ステージの回転軸に対応する位置にリモートプラズマを導入する導入部が設けられた
    請求項７に記載のプラズマ処理装置。
  9. 前記複数のプラズマ源の個数は、７個以下である
    請求項１に記載のプラズマ処理装置。
  10. 前記処理容器は、前記複数のプラズマ源が配置されていない前記上壁部にガスを噴出するシャワーヘッドが設けられている
    請求項１に記載のプラズマ処理装置。
  11. 処理容器内に配置され、基板が載置されたステージを回転駆動させ、
    前記ステージと対向する前記処理容器の上壁部に設けられ、前記ステージの回転軸に対して軸対称には配置されていない複数のプラズマ源によりプラズマを生成する
    プラズマ処理方法。
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