JP4165944B2 - マイクロ波プラズマ処理装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、大口径半導体基板、大型液晶ディスプレイ用ガラス基板等に、プラズマを用いたエッチング、アッシング、ＣＶＤ（化学蒸着）等の処理を施すための利用に好適なマイクロ波プラズマ処理装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＬＳＩ（大規模集積回路）、ＬＣＤ（液晶ディスプレイ）などを製造するプロセスにおいて、反応ガスに外部からエネルギーを与えた際に発生するプラズマが、広く用いられている。特に、プラズマを用いたドライエッチング技術は、これらのプロセスにおいて、不可欠の基本技術となっている。
【０００３】
一般に、プラズマを発生させるための励起手段としては、2.45GHzのマイクロ波を用いる場合と、13.56MHzのＲＦ（高周波：Radio Frequency）を用いる場合とが知られている。マイクロ波を用いる場合には、ＲＦを用いる場合に比べて、高密度のプラズマが得られるとともに、プラズマを発生させるのに電極を必要としないため、電極からのコンタミネーションを防ぐことができるなどの利点がある。
【０００４】
しかしながら、マイクロ波を用いた従来のプラズマ処理装置では、プラズマ領域面積が広く、かつプラズマ密度が均一になるようにプラズマを発生させることが困難であった。したがって、大口径の半導体基板（半導体ウェハ）、または、大型のＬＣＤ用ガラス基板の処理等において、マイクロ波を用いたドライエッチング処理を採用するのは困難であった。
【０００５】
この点に関し、大面積に均一にマイクロ波プラズマを発生させることが可能なプラズマ処理装置として、表面波電界励起プラズマを利用する方式が提案されており、例えば、特開昭62-5600号公報、特開昭62-99481号公報において開示されている。このプラズマ処理装置は、処理容器の上部壁をマイクロ波の透過が可能な耐熱性板で封止し、その上方にはマイクロ波導波管に接続された誘電体線路を配置している。そして誘電体線路の表面から漏れ出た表面波電界により、プラズマが発生する。
【０００６】
図１１は前者のプラズマ処理装置の側断面図であり、図１２は図１１に示したプラズマ処理装置の平面図である。この従来装置１５０では、金属製導体により構成された処理容器８１の上部に、封止板８４が設けられ、これらによって処理室８２は気密状態に封止されている。更に処理容器８１には、処理容器８１及び封止板８４の上部を覆うカバー部材９０が連結されており、カバー部材９０とマイクロ波発振器７０との間には、導波管７１が連結されている。そして、カバー部材９０内の天井部分には、封止板８４との間にエアギャップ９３を確保しつつ、誘電体線路９１が取り付けられている。この誘電体線路９１は、導波管７１の幅から処理容器８１を覆う程度の幅まで広がるテーパ部９１ａを有する平面視略５角形に形成されている。
【０００７】
処理容器８１内には封止板８４とは対向する位置に、試料基板Ｗを載置するための試料台８３が配設されており、これにはマッチング回路８６を介してＲＦバイアス回路８７が接続されている。また処理容器８１の下部壁には図示しない排気装置に接続される排気口８８が形成され、処理容器８１の一側壁には所要の反応ガスを供給するためのガス供給管８５が接続されている。
【０００８】
このように構成されたマイクロ波プラズマ処理装置１５０を用いて、試料台８３の上に載置された試料基板Ｗに、所定の処理を施す場合には、まず、排気口８８から排気を行って処理室８２内を所要の真空度に設定した後、ガス供給管８５から反応ガスを供給する。次いで、マイクロ波発振器７０においてマイクロ波を発生させ、導波管７１を介して、マイクロ波を拡げるためのテーパ部９１ａを含む誘電体線路９１へと導入する。
【０００９】
すると、誘電体線路９１の下方に電界が形成され、形成された電界が、エアギャップ９３および封止板８４を透過して、処理室８２へ供給される。これによって、処理室８２にプラズマが生成され、試料基板Ｗの表面に対して、例えばエッチング等の処理がなされる。この際、必要に応じて試料台８３には、ＲＦバイアス回路８７によって、ＲＦバイアスが印加される。ＲＦバイアスによって処理室８２内に形成されるバイアス電位によって、プラズマ中のイオンが加速され、試料基板Ｗへと導かれ、それによって、試料基板Ｗの表面に、例えば、異方性エッチングを施すことが可能となる。
【００１０】
従来装置１５０では、大口径の試料基板Ｗを処理すべく、処理室８２の幅を大きく設定しても、封止板８４の直下に、均一に電界が形成され、その結果、均一なプラズマを得ることができる。したがって、大口径の試料基板Ｗに、所定の処理を施すことが可能である。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、従来装置１５０では、誘電体線路９１にマイクロ波を均一に拡大するために、封止板８４および処理容器８１の縁部から水平方向へ突出させたテーパ部９１ａが設けられている。そのため、装置１５０を設置する場合には、処理容器８１の縁部から突出したテーパ部９１ａを格納するために、水平方向に余分のスペースを確保することが必要とされていた。
【００１２】
近年における試料基板Ｗの大口径化にともなって、処理室８２の幅がより大きいマイクロ波プラズマ処理装置が要求されるようになっている。しかも、半導体素子等の製造現場では、装置の設置場所を新たに確保する必要がないこと、すなわち、できるだけ狭いスペースに装置を設置し得ることが求められている。
【００１３】
しかしながら、従来装置１５０では、テーパ部９１ａの寸法は、誘電体線路９１の面積に応じて、言い換えると、処理室８２の幅に応じて定まる。このため、大口径の試料基板Ｗの処理を行うためには、大きなテーパ部９１ａを収納し得るよう、より大きなスペースを確保することが必要とされていた。このように、従来装置１５０では、大口径の試料基板Ｗを処理するという要求と、装置の設置スペースをできるだけ狭くしたいという要求とを、同時に満足することができないという問題点があった。
【００１４】
また、従来装置１５０では、その構造上、試料台８３に対向する面、すなわち、封止板８４の下面は接地できないので、処理容器８１の側壁などが、接地されることによって、ＲＦバイアスに対する実効的な対向電極として機能していた。その結果、処理容器８１の側壁などが、イオン衝突によって、損傷を受けるという問題点があった。さらに、実効的な対向電極が、試料基板Ｗに対向しない方向、例えば、斜め上方に位置するために、試料基板Ｗに入射するイオンの指向性が悪く、エッチングの異方性等のプロセス上の性能が低いという問題点があった。
【００１５】
この発明は、従来の装置における上記した問題点を解消するためになされたもので、大口径の試料の処理を可能にすると同時に、省スペース化、および、入射イオンの指向性の向上とを、実現するマイクロ波プラズマ処理装置を提供することを目的とし、特に、処理の効率および処理の均一性を高めることのできるマイクロ波プラズマ処理装置を得ることを目的とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
第１の発明の装置は、処理対象である試料を載置する試料台を格納した処理室へマイクロ波を導入し、当該マイクロ波によりプラズマを生成し、当該プラズマを用いて前記試料に処理を行うためのマイクロ波プラズマ処理装置であって、前記試料台に対向した導電体と、前記導電体の外周に配設された環状平板のマイクロ波導入板と、前記マイクロ波導入板の上に配設され、マイクロ波を該マイクロ波導入板に導く空洞を内部に規定する導電性の管状部材と、を備え、前記管状部材の前記マイクロ波導入板に対向する部分に、前記空洞と連続する開口部が開設されており、当該開口部の内周側の端部と前記導電体の外周との間の前記マイクロ波導入板に沿った方向での光学的距離が、前記マイクロ波の真空中での波長の１／４倍以上に設定されている。
【００１７】
第２の発明の装置は、処理対象である試料を載置する試料台を格納した処理室へマイクロ波を導入し、当該マイクロ波によりプラズマを生成し、当該プラズマを用いて前記試料に処理を行うためのマイクロ波プラズマ処理装置であって、前記試料台に対向した導電体と、前記導電体の外周に配設された環状平板のマイクロ波導入板と、前記マイクロ波導入板の上に配設され、マイクロ波を該マイクロ波導入板に導く空洞を内部に規定する導電性の管状部材と、を備え、前記管状部材の前記マイクロ波導入板に対向する部分に、前記空洞と連続する開口部が開設されており、前記マイクロ波導入板の前記試料台側の表面が、前記導電体の前記試料台側の表面よりも、5mm以上突出している。
【００１８】
第３の発明の装置では、第２の発明のマイクロ波プラズマ処理装置において、前記開口部の内周側の端部と前記導電体の外周との間の前記マイクロ波導入板に沿った方向での光学的距離が、前記マイクロ波の真空中での波長の１／４倍以上に設定されている。
【００１９】
【発明の実施の形態】
＜1. 実施の形態１＞
はじめに、実施の形態１のマイクロ波プラズマ処理装置について説明する。
【００２０】
＜1-1. 装置の基本構成＞
図１は、実施の形態１のマイクロ波プラズマ処理装置の側断面図であり、図２は図１に示した装置の平面図である。また、図１は、図２のＡ−Ａ切断線に沿った断面図に相当する。この装置１０１では、有底円筒状の処理容器１の上端部に、内周面に溝が設けられたリング部材１０が取り付けられている。処理容器１は、例えばアルミニウム等の金属で構成されており、リング部材１０も金属で構成されている。
【００２１】
さらに、環状のマイクロ波導入板４が、その外周縁部がリング部材１０の溝に嵌合されることにより、リング部材１０に支持されている。この環状マイクロ波導入板４の材料としては、耐熱性及びマイクロ波透過性、並びに小さな誘電損失が要求され、そのために、例えば、石英ガラス又はアルミナ等の誘電体が採用される。
【００２２】
リング部材１０の上面には、該リング部材１０の外直径と略同じ外直径を有し、前述したマイクロ波導入板４の内直径と略同じ内直径を有する略円筒状のブロック部材２５が、リング部材１０にねじ止めされている。このブロック部材２５は、アルミニウム等の金属で形成されている。ブロック部材２５の底部には、同じくアルミニウム等の金属で構成された環状の板部材１６が嵌合している。板部材１６には、複数のスリット１５が、周方向に所定の距離を隔てて開設されている。
【００２３】
ブロック部材２５と板部材１６とによって、断面が矩形の環状の空洞４７が形成されている。ブロック部材２５の外周壁には、環状の空洞４７に連通する断面矩形の溝が開設されている。この溝は、リング部材１０の上面で覆われることにより、矩形孔４８を形成している。環状の空洞４７および矩形孔４８には、誘電体１４が内嵌されている。誘電体１４の材料として、例えば、テフロン（登録商標）などのフッ素樹脂、ポリエチレン樹脂、又は、ポリスチレン樹脂が採用され、好ましくは、フッ素樹脂が用いられる。
【００２４】
ブロック部材２５と板部材１６とで構成され、環状の空洞４７を内部に規定する管状部材と、空洞４７に充填されている誘電体１４の部分とによって、環状導波管型アンテナ部１２ａが形成されている。また、矩形孔４８を内部に規定するブロック部材２５の部分とリング部材１０の部分、並びに、矩形孔４８に充填されている誘電体１４の部分によって、導入部１２ｂが形成されている。環状導波管型アンテナ部１２ａおよび導入部１２ｂは、双方でアンテナ１３を構成する。
【００２５】
管状部材の外周壁部に開設された導入口４９を通じて、管状部材に規定される環状の空洞４７と、導入部１２ｂに規定される矩形孔４８とが連通している。導入部１２ｂには、導波管２１の一端が接続され、導波管２１の他端には、マイクロ波発振器２０が接続されている。したがって、マイクロ波発振器２０が生成するマイクロ波（例えば、300MHz〜30GHzの周波数を有する電磁波）は、導波管２１の内部、および、導入部１２ｂの矩形孔４８を通じて、環状導波管型アンテナ部１２ａの空洞４７へと導入される。
【００２６】
環状導波管型アンテナ部１２ａの空洞４７の周方向の長さを適切に、例えば、伝搬するマイクロ波の波長の略整数倍に設定することにより、空洞４７内に定在波を生起することができる。具体的には、環状導波管型アンテナ部１２ａを互いに逆方向へ進行する２つの進行波が、導入部１２ｂに対向する位置で衝突して定在波が生成される。この壁面定在波によって、環状導波管型アンテナ部１２ａの内面、すなわち、空洞４７の壁面に、所定の間隔で極大値を示す壁面電流が流れる。
【００２７】
誘電体１４として、例えば、比誘電率ε＝2.1のテフロンが採用されているときには、環状導波管型アンテナ部１２ａ内を伝播するマイクロ波のモードを、基本伝播モードである矩形ＴＥ₁₀にするには、マイクロ波の周波数が2.45GHzである場合、環状導波管型アンテナ部１２ａの内側、すなわち、空洞４７の径方向に沿った断面の寸法を、高さ27mm、幅66.2mmに設定するとよい。矩形ＴＥ₁₀のマイクロ波は、環状導波管型アンテナ部１２ａの内部を、ほとんど損失なく、しかも、均一に伝搬する。
【００２８】
さらに、外径が380mm、内径が180〜200mm、厚さが20mmのマイクロ波導入板４が用いられる場合には、環状導波管型アンテナ部１２ａの中心から、環状導波管型アンテナ部１２ａの幅方向の中央までの距離は、141mmに設定することができる。この場合、環状導波管型アンテナ部１２ａの幅方向の中央を結ぶ円の周方向の長さ（略886mm）は、該環状導波管型アンテナ部１２ａ内を伝播するマイクロ波の波長（略110mm）の略整数倍となる。
【００２９】
そのため、マイクロ波は環状導波管型アンテナ部１２ａ内で共振し、前述した定在波は、その腹の位置で高電圧・低電流、節の位置で低電圧・高電流となり、アンテナ１３のＱ値が向上する。この定在波は、スリット１５から封止板４を介して、処理室２へ電界を生成する。したがって、スリット１５は、定在波の腹の位置に配置されるのが望ましい。
【００３０】
ブロック部材２５にはアルミニウムを円柱状に成形してなる加熱ブロック２６が、その下面がマイクロ波導入板４の下面より少し高い位置になるように、シート状の絶縁体３１を介して、着脱自在に内嵌されている。絶縁体３１の材料には、例えば、テフロンが用いられる。加熱ブロック２６には、加熱源であるヒータ２８が埋設されている。また、加熱ブロック２６の下面中央には円筒状の凹部が設けられている。この凹部は、導体又は半導体などの導電性の材料、すなわち導電体（本明細書では、半導体も含めて「導電体」と称する）を円板状に成形して成る対向電極１８で、閉塞されることにより、ガス拡散室３０を形成している。
【００３１】
ガス拡散室３０は、加熱ブロック２６を貫通するガス供給管５と連通しており、対向電極１８には複数の貫通孔（図示を略する）が開設されているので、ガス供給管５から反応ガスを供給することによって、処理室２へと反応ガスを、均一に導入することができる。対向電極１８は、例えば、直径190mmのシリコン系材料で構成される。
【００３２】
なお、処理容器１、リング部材１０、環状マイクロ波導入板４、ブロック部材２５及び加熱ブロック２６が互いに接合する部分には、それらを気密状態に封止するために、耐熱性のＯ（オー）リング１７が介挿されている。
【００３３】
処理容器１の底部中央には、試料基板Ｗを載置する試料台３が昇降自在に設られている。そして、試料台３には、マッチング回路６を介して、ＲＦバイアス回路７が接続されている。また、処理容器１の側壁には排気口８が開設されており、図示されない排気機構によって、処理室２の内気が排出可能となっている。
【００３４】
図１では、対向電極１８は、配線を通じて電気的に接地された例を示しているが、ＲＦバイアス回路７とは別のＲＦバイアス回路、および、マッチング回路６とは別のマッチング回路が、試料台３と同様に接続されても良い。あるいは、試料台３を接地し、対向電極１８にのみ、マッチング回路およびＲＦバイアス回路を接続しても良い。なお、対向電極１８が接地される場合には、絶縁体３１は設けられなくても良い。
【００３５】
装置１０１は、以上のように構成されるので、処理室２に電界が形成され、この電界によって、処理室２にプラズマが生成される。このプラズマによって、試料台３に載置された試料基板Ｗに、プラズマ処理が施される。処理室２内の電界は、試料台３に対向する対向電極１８の周囲を囲むように、環状に設けられた環状導波管型アンテナ部１２ａに、マイクロ波の定在波が形成され、この定在波からマイクロ波が処理室２へと伝搬することによって生成される。
【００３６】
したがって、生成されるプラズマの均一性が比較的良好であり、大口径の試料基板Ｗに対して、プラズマ処理を施すことが可能となる。しかも、従来装置１５０とは異なり、テーパ部９１ａを必要とせず、導入部１２ｂを通じて環状導波管型アンテナ部１２ａへと、マイクロ波を直接に入射することができるので、処理容器１の周囲に、余分な設置スペースを必要としない。
【００３７】
さらに、試料台３と、これに対向する対向電極１８との間に、ＲＦバイアスが印加されるので、試料基板Ｗへ入射するイオンの指向性が高い。したがって、異方性のよいプラズマエッチングも可能となり、高いアスペクト比を持った微細加工を試料基板Ｗに施すことが可能となる。しかも、処理容器１の側壁等を、実効的な対向電極とする必要がないので、イオン衝突による側壁等の損耗が抑制され、処理容器１等の寿命が高められる。
【００３８】
＜1-2. スリットの位置の最適化＞
図３は、図２のＢ−Ｂ切断線に沿った装置１０１の部分拡大断面図である。図３が示すように、環状のマイクロ波導入板４の内周には、絶縁体３１を挟んで、対向電極１８と加熱ブロック２６とを含む導電体４５の外周が対向している。この導電体４５の外周の径方向の位置Ｐｂと、環状導波管型アンテナ部１２ａを構成する管状部材の底部に開設された開口部に相当するスリット１５の、内周側の端部（以下、「内周側端部」と記載する）の径方向の位置Ｐとの間には、ある最適な関係が存在する。そして、装置１０１では、この最適な範囲を満たすように、スリット１５が形成されている。
【００３９】
この最適な関係とは、後述するデータが示すように、実験を通じて見出されたものであり、つぎのように表現される。すなわち、導電体４５の外周とスリット１５の内周側端部との間の径方向の距離Ｄ（すなわち、位置Ｐと位置Ｐｂの間の距離）に対応する光学的距離が、マイクロ波の真空中での波長λの１／４倍以上に設定されるのが望ましい。光学的距離とは、実距離に媒質の比誘電率の二乗根を乗じて得られる距離、すなわち、真空媒質に換算された距離を意味する。
【００４０】
この最適条件は、絶縁体３１が存在しない場合には、実距離Ｄが、マイクロ波導入板４を伝わるマイクロ波の波長の１／４倍以上であることと等価である。すなわち、絶縁体３１が存在しない場合の最適条件は、つぎの数式１：
Ｄ≧1/4・λ1 ・・・（数式１）
で表現される。ここで、λ1は、マイクロ波導入板４の中でのマイクロ波の波長である。
【００４１】
絶縁体３１が存在する場合には、最適条件は、つぎの数式２：
D1・(ε1)^1/2＋D2・(ε2)^1/2≧1/4・λ ・・・（数式２）
で表現される。ここで、D1は、マイクロ波導入板４の内周とスリット１５の内周側端部との間の実距離、D2は、絶縁体３１の厚さ、ε1は、マイクロ波導入板４の比誘電率、そして、ε2は、絶縁体３１の比誘電率である。
【００４２】
また、マイクロ波の真空中での波長λは、つぎの数式３：
λ＝２πｃ／ω ・・・（数式３）
で与えられる。ここで、ｃは、真空中の光速であり、ωは、マイクロ波発振器２０で生成されるマイクロ波の角周波数である。
【００４３】
図３が示すように、マイクロ波導入板４の内周付近には、環状導波管型アンテナ部１２ａからスリット１５を通じて、マイクロ波が伝搬する。このマイクロ波は、環状導波管型アンテナ部１２ａを伝搬する進行波がもれ出たものであり、その真空中での波長は、数式３で与えられる。
【００４４】
マイクロ波導入板４へ漏れ出たマイクロ波の中で、進行波Ｑ１として、導電体４５へと向かう成分が存在する。この進行波Ｑ１は、導電体４５の外周表面で反射され、その結果、マイクロ波導入板４（および絶縁体３１）の中には、さらに、反射波Ｑ２が伝搬する。そして、これら両者が合成されることによって、導電体４５の外周表面付近には、定在波Ｑ３が形成される。この定在波Ｑ３の真空中での波長も、数式３で与えられる。
【００４５】
したがって、上記した最適条件は、導電体４５の外周表面付近に形成される定在波Ｑ３の腹（一般には複数）の中で、導電体４５に最も近い腹の位置Ｐａに関して、導電体４５から見て、スリット１５の内周側端部の位置Ｐを、腹の位置Ｐａ以遠に設定することと等価である。言い換えると、上記の最適条件は、腹の位置Ｐａと導電体４５の外周表面の位置Ｐｂとの間の実距離Ｄａに関して、実距離Ｄを実距離Ｄａ以上に設定することと同等である。すなわち、最適条件は、つぎの数式４：
Ｄ≧Ｄａ ・・・（数式４）
で表現することも可能である。実距離Ｄａの光学的距離は、マイクロ波の真空中での波長λの１／４倍に相当する。また、絶縁体３１がなければ、実距離Ｄａは、マイクロ波導入板４の中でのマイクロ波の波長の１／４倍、すなわち、1/4・λ1に一致する。
【００４６】
＜1-3. 実証データ＞
つぎに、上記の最適条件を裏付ける実験結果について、説明する。実験では、装置１０１の各部の材料および寸法は、つぎのように設定された。まず、マイクロ波発振器２０が出力するマイクロ波の周波数は、2.45GHzに設定された。対向電極１８に関しては、その直径が、８インチ口径の試料基板Ｗを処理可能な200mmに設定され、厚さが10mmに設定され、さらに、材料には、シリコン系材料が採用された。また、対向電極１８は電気的に接地された。
【００４７】
絶縁体３１には、厚さ1mmのテフロンが用いられた。マイクロ波導入板４には、外径が380mm、内径が202mm、そして、厚さが20mmの石英板が採用された。環状導波管型アンテナ部１２ａの内部の空洞４７の径方向断面形状に関しては、高さが27mm、および、幅が66.2mmに設定された。そして、この空洞４７には、テフロンが充填された。
【００４８】
以上の条件の下で、距離Ｄを様々に変えて、図１に示す座標軸ｘに沿ったプラズマ密度の分布が測定された。座標軸ｘは、対向電極１８の中心を原点とした処理室２内の水平方向の位置を表している。プラズマ密度は、電子密度によって計測された。
【００４９】
図４は、二つの距離Ｄに対する実験の結果の傾向を模式的に示すグラフであり、その縦軸は、プラズマ密度を表し、横軸は座標軸ｘを表している。曲線Ｃ１は、距離Ｄが距離Ｄａよりも十分に短く設定されたときの傾向を表しており、曲線Ｃ２は、距離Ｄが距離Ｄａよりも十分に長く設定されたときの傾向を表している。曲線Ｃ２では、プラズマ密度が座標軸ｘの全体にわたって、曲線Ｃ１よりも高く、しかも、プラズマ密度の均一性が向上している。これらの傾向は、ｘ＝-100mm〜+100mmの範囲にわたって顕著である。８インチ口径の試料基板Ｗを処理する上では、ｘ＝-100mm〜+100mmの範囲で均一性が確保されれば十分である。
【００５０】
図５は、プラズマ密度の不均一の度合い、すなわち、プラズマ不均一性を、様々な距離Ｄに対して計測した結果を示すグラフである。プラズマ不均一性は、次の数式５：
不均一性＝（M−m）／（M＋m）・・・（数式５）
にもとづいて算出された。ここで、Mは、図４に例示する曲線の最大値であり、mは最小値である。
【００５１】
図５が示すように、プラズマ不均一性は、距離Ｄが16mmよりも短い領域では、比較的高く、距離Ｄが16mmよりも長い領域では、低くなる。しかも、距離Ｄが16mmを超えて増加するのにともなって、プラズマ不均一性は、劇的に減少する。
【００５２】
数式３で与えられる波長λは、λ=122.4mmである。したがって、石英の比誘電率ε1=4.0、テフロンの比誘電率ε2=2.1、および、絶縁体３１の厚さD2＝1mmを用いて、つぎの数式６：
D1・(ε1)^1/2＋D2・(ε2)^1/2＝1/4・λ ・・・（数式６）
にもとづいて、距離D1を算出すると、D1＝15mmが得られる。したがって、距離Ｄａは、Ｄａ＝D1＋D2＝16mmと計算される。
【００５３】
したがって、実験の結果は、距離Ｄが距離Ｄａを境として変化するのにともない、プラズマ密度の高さ、および、プラズマ密度の均一性が、劇的に変化することを示している。すなわち、距離Ｄが距離Ｄａ以上に設定されるときには、距離Ｄａ未満に設定されるときに比べて、プラズマ密度の高さ、および、均一性のいずれも、飛躍的に向上する。
【００５４】
このことは、距離Ｄが距離Ｄａ以上に設定されるとき、すなわち、数式４が満たされるときに、マイクロ波の処理室２への導入の効率が飛躍的に増大することを意味している。この現象は、数式４が満たされるときに、図３に示した定在波Ｑ３の強度が、飛躍的に増大するという機構によって説明することができる。
【００５５】
以上のように、プラズマ密度の高さ、および、均一性の上で、距離Ｄには選択性があって、しかも、距離Ｄａが臨界値として意味を持つことが、実験によって実証された。なお、図４および図５のグラフが示すように、距離Ｄが距離Ｄａ未満に設定された装置においても、プラズマ密度の不均一性は、試料基板Ｗを処理する上で、実用性を損なうほどではない。しかしながら、マイクロ波の利用効率を高め、試料基板Ｗへの処理の均一性をさらに向上させる上で、数式１，２，４に表現される最適条件を満たすように、装置１０１を設定することが、より望ましい。
【００５６】
＜1-4. スリットの形状の多様性＞
環状導波管型アンテナ部１２ａを構成する管状部材の底部に開設された開口部は、マイクロ波の処理室２への伝搬効率を高める上で、図２が示したように、周方向に所定の間隔で開設されたスリット１５として形成されるのが望ましい。しかしながら、開口部の形状は、一般に、この例に限られず、多様な形状を採ることが可能である。
【００５７】
図６は、その一例に相当するマイクロ波プラズマ処理装置の平面図である。この装置１０１ａでは、開口部は、周方向に沿って一定幅で連続したスリット４６として形成されている。この装置１０１ａにおいても、開口部の内周側端部の位置に対する最適条件は、数式１，２，４等で与えられる。
【００５８】
＜2. 実施の形態２＞
図７は、実施の形態２のマイクロ波プラズマ処理装置の側断面図である。図７の装置の平面図は、図２と同一に描かれる。この装置１０２は、マイクロ波導入板４の底面が、対向電極１８の試料台３に対向する底面よりも、下方に位置する点において、装置１０１とは特徴的に異なっている。すなわち、マイクロ波導入板４の底面が、対向電極１８の底面よりも、ある距離ｚだけ突出している。しかも、この距離ｚは、5mm以上に設定される。
【００５９】
距離ｚに関して、次の数式７：
ｚ≧5mm・・・（数式７）
で与えられる最適条件は、実験により見出されたものであり、この最適条件が満たされるときには、処理室２に形成されるプラズマ密度の高さ、および、均一性が飛躍的に改善される。
【００６０】
距離ｚに関する最適条件を実証した実験では、装置１０２の各部の材料および寸法、マイクロ波発振器２０が生成するマイクロ波の周波数、その他の条件は、上記1-3の項で述べた距離Ｄに関する実証実験の場合と、同一に設定された。そして、距離ｚを様々に変えつつ、プラズマ密度の座標軸ｘに沿った分布が計測された。プラズマ密度は、電子密度として計測された。
【００６１】
図８は、プラズマ不均一性を、様々な距離ｚに対して計測した結果を示すグラフである。プラズマ不均一性は、数式５にもとづいて算出された。図８が示すように、プラズマ不均一性は、距離ｚが5mmよりも短い領域では、比較的高く、距離ｚが5mmよりも長い領域では、低くなる。しかも、距離ｚが5mmを超えて増加するのにともなって、プラズマ不均一性は、劇的に減少する。
【００６２】
このように、実験の結果は、距離ｚが5mmを境として変化するのにともない、プラズマ密度の均一性が、劇的に変化することを示している。プラズマ密度の高さについても、同様の結果が得られる。すなわち、距離ｚが5mm以上に設定されるときには、5mm未満に設定されるときに比べて、プラズマ密度の高さ、および、均一性のいずれも、飛躍的に向上する。このことは、距離ｚが5mm以上に設定されるとき、すなわち、数式７が満たされるときに、マイクロ波の処理室２への導入の効率が飛躍的に増大することを意味している。この現象は、以下に示す機構によって説明することができる。
【００６３】
図９および図１０は、距離ｚを互いに異ならせた装置の部分拡大断面図であり、マイクロ波が、環状導波管型アンテナ部１２ａから、スリット１５およびマイクロ波導入板４を経て、処理室２へと伝搬する様子を表している。一方の図９の装置では、距離ｚ＝０、すなわち、マイクロ波導入板４の底面が、対向電極１８の底面と同一平面上に並んでいる。他方の図１０の装置では、距離ｚは、数式７を満たすように設定されている。
【００６４】
マイクロ波導入板４の底面、および、対向電極１８の底面は、プラズマが形成される処理室２へ露出しており、このため、プラズマ４０とこれらの底面との間には、イオンシース４１が形成される。イオンシース４１は、イオン密度に比べて電子密度が低い空間電荷領域である。
【００６５】
イオンシース４１は、マイクロ波が伝搬可能な誘電体として作用する。したがって、このイオンシース４１に沿って、マイクロ波Ｑ４が、マイクロ波導入板４から処理室２へと導入される。イオンシースの厚さＳは、シミュレーション（"4th International Conference on Reactive Plasmas and 16th Symposium on Plasma Processing," P. 49 - 50, Published on Oct 19th, 1998; 特に、その図４）によれば、約5mmであることが、解っている。
【００６６】
ところが、図９が示すように、距離ｚ＝0である場合には、マイクロ波Ｑ４は、マイクロ波導入板４の底面を通じて、イオンシース４１へと伝搬するしかない。このため、プラズマ４０の密度は、マイクロ波導入板４の直下では高くなるが、対向電極１８の直下では低くならざるを得ない。すなわち、プラズマ４０の密度の座標軸ｘに沿った均一性が悪くなる。しかも、マイクロ波導入板４の底面のみを通じて、マイクロ波Ｑ４が処理室２へと導入されるので、座標軸ｘ全体にわたるプラズマ４０の密度も、低いものとなる。
【００６７】
他方、図１０が示すように、距離ｚが、イオンシースの厚さＳに相当する5mm以上の大きさに設定されるときには、マイクロ波Ｑ４は、マイクロ波導入板４の下面だけでなく、マイクロ波導入板４の内周をも通じて、処理室２へと伝搬する。すなわち、対向電極１８の直下の領域にも、マイクロ波Ｑ４が直接的に導入される。その結果、対向電極１８の直下におけるプラズマの形成効率が高まり、プラズマ４０の密度の座標軸ｘに沿った均一性が向上する。また、マイクロ波Ｑ４が、マイクロ波導入板４の下面と内周の双方を通じて、処理室２へ導入されるので、座標軸ｘ全体にわたるプラズマ４０の密度も高くなる。
【００６８】
図８が示した実験データは、以上の機構によって説明することができる。また、距離ｚに対する臨界値としての5mmは、イオンシースの厚さＳに相当することも、同時に理解される。
【００６９】
以上のように、プラズマ密度の高さ、および、均一性の上で、距離ｚには選択性があって、しかも、イオンシースの厚さＳに相当する距離である5mmが臨界値として意味を持っている。イオンシースの厚さＳは、装置の実用的な動作条件の下では、略一定（ 5mm）であり、余り変動しない。したがって、数式７の最適条件に関して、装置の構成や装置の動作条件への依存性は低く、距離ｚを5mm以上に設定しておれば、臨界性ある効果を引き出す上で、実用上十分である。
【００７０】
なお、図８のグラフが示すように、距離ｚが5mm未満に設定された装置においても、プラズマ密度の不均一性は、試料基板Ｗを処理する上で、実用性を損なうほどではない。しかしながら、マイクロ波の利用効率を高め、試料基板Ｗへの処理の均一性をさらに向上させる上で、数式７に表現される最適条件を満たすように、装置を設定することが、より望ましい。
【００７１】
＜3. 変形例＞
(1) 数式１，２，４に示される距離Ｄに関する最適条件と、数式７に示される距離ｚに関する最適条件の双方を満たすように装置を構成することによって、プラズマ密度の高さ、および、均一性をさらに向上させることができる。
【００７２】
(2) 環状の管状部材を備える環状導波管型アンテナ部１２ａの代わりに、対向電極１８の周囲に、平面視「Ｃ」字型、あるいは、渦巻き型に配設され、その内部に形成された空洞の一端（これが「導入口」に相当する）が、導波管２１へ連通し、他端が閉塞するように構成された管状部材を備えるアンテナが採用されても良い。
【００７３】
【発明の効果】
第１ないし第３のいずれかの発明の装置では、試料台に対向して配置された導電体の周囲に環状に配設されたマイクロ波導入板の上に設けられた管状部材に、マイクロ波が導入され、さらに、開口部およびマイクロ波導入板を通じて処理室へとマイクロ波が導入されることによって、処理室にプラズマが形成され、形成されたプラズマによって、試料に処理が行われる。このため、大口径の試料に対して、処理を行うことが可能である。
【００７４】
しかも、従来装置とは異なり、テーパ部を必要とせず、管状部材へとマイクロ波を直接に入射することができるので、処理容器の周囲に、余分な設置スペースを必要としない。さらに、試料台に対向する導電体が設置されるので、試料台と導電体との間に、ＲＦバイアスを印加することによって、試料へ入射するイオンの指向性を高めることが可能となる。また、処理室の壁面等を、実効的な対向電極とする必要がないので、イオン衝突による壁面等の損耗が抑制され、装置の寿命が向上する。
【００７５】
特に、第１の発明の装置では、管状部材の開口部の内周側の端部と導電体の外周との間のマイクロ波導入板に沿った方向での光学的距離が、マイクロ波の真空中での波長の１／４倍以上に設定されているので、マイクロ波の処理室への導入効率が高く、処理室におけるプラズマ密度の高さ、および、均一性が向上する。したがって、試料への処理の効率および均一性が高められる。
【００７６】
また、第２の発明の装置では、マイクロ波導入板の試料台側の表面が、導電体の試料台側の表面よりも、イオンシースの厚さに相当する5mm以上突出しているので、マイクロ波が、マイクロ波導入板の試料台側の表面だけでなく、その内周をも通じて、処理室へと導入される。したがって、マイクロ波の処理室への導入効率が高く、特に、導電体が対向する領域でのプラズマの生成効率が高まる。このため、処理室におけるプラズマ密度の高さ、および、均一性が向上する。したがって、試料への処理の効率および均一性が高められる。
【００７７】
さらに、第３の発明の装置では、第１の発明の特徴と第２の発明の特徴とが、兼ね備わっている。このため、試料への処理の効率および均一性が、さらに高められる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 実施の形態１の装置の側断面図である。
【図２】 実施の形態１の装置の平面図である。
【図３】 図２のＢ−Ｂ切断線に沿った部分拡大断面図である。
【図４】 プラズマ密度分布に関する実験データを示すグラフである。
【図５】 プラズマ不均一性に関する実験データを示すグラフである。
【図６】 実施の形態１の装置の変形例の平面図である。
【図７】 実施の形態２の装置の側断面図である。
【図８】 プラズマ不均一性に関する実験データを示すグラフである。
【図９】 実施の形態２の装置と比較対照される装置の動作説明図である。
【図１０】 実施の形態２の装置の動作説明図である。
【図１１】 従来の装置の側断面図である。
【図１２】 従来の装置の平面図である。
【符号の説明】
２ 処理室
３ 試料台
４ マイクロ波導入板
１５，４６ スリット（開口部）
１６ 板部材（管状部材）
１８ 対向電極（導電体）
２５ ブロック部材（管状部材）
２６ 加熱ブロック（導電体）
４５ 導電体
４７ 空洞
Ｗ 試料基板（試料）

Claims (3)

1. 処理対象である試料を載置する試料台を格納した処理室へマイクロ波を導入し、当該マイクロ波によりプラズマを生成し、当該プラズマを用いて前記試料に処理を行うためのマイクロ波プラズマ処理装置であって、前記試料台に対向した導電体と、前記導電体の外周に配設された環状平板のマイクロ波導入板と、前記マイクロ波導入板の上に配設され、マイクロ波を該マイクロ波導入板に導く空洞を内部に規定する導電性の管状部材と、を備え、前記管状部材の前記マイクロ波導入板に対向する部分に、前記空洞と連続する開口部が開設されており、当該開口部の内周側の端部と前記導電体の外周との間の前記マイクロ波導入板に沿った方向での光学的距離が、前記マイクロ波の真空中での波長の１／４倍以上に設定されているマイクロ波プラズマ処理装置。
2. 処理対象である試料を載置する試料台を格納した処理室へマイクロ波を導入し、当該マイクロ波によりプラズマを生成し、当該プラズマを用いて前記試料に処理を行うためのマイクロ波プラズマ処理装置であって、前記試料台に対向した導電体と、前記導電体の外周に配設された環状平板のマイクロ波導入板と、前記マイクロ波導入板の上に配設され、マイクロ波を該マイクロ波導入板に導く空洞を内部に規定する導電性の管状部材と、を備え、前記管状部材の前記マイクロ波導入板に対向する部分に、前記空洞と連続する開口部が開設されており、前記マイクロ波導入板の前記試料台側の表面が、前記導電体の前記試料台側の表面よりも、5mm以上突出しているマイクロ波プラズマ処理装置。
3. 前記開口部の内周側の端部と前記導電体の外周との間の前記マイクロ波導入板に沿った方向での光学的距離が、前記マイクロ波の真空中での波長の１／４倍以上に設定されている、請求項２に記載のマイクロ波プラズマ処理装置。

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