JP4747404B2 - プラズマ処理装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体ウエハ等に対してマイクロ波により生じたプラズマを作用させて処理を施す際に使用されるプラズマ処理装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、半導体製品の高密度化及び高微細化に伴い半導体製品の製造工程において、成膜、エッチング、アッシング等の処理のためにプラズマ処理装置が使用される場合があり、特に、０．１〜数１０ｍＴｏｒｒ程度の比較的圧力が低い高真空状態でも安定してプラズマを立てることができることからマイクロ波を用いて、或いはマイクロ波とリング状のコイルからの磁場とを組み合わせて高密度プラズマを発生させるマイクロ波プラズマ装置が使用される傾向にある。
このようなプラズマ処理装置は、特開平３−１９１０７３号公報、特開平５−３４３３３４号公報や本出願人による特開平９−１８１０５２号公報等に開示されている。ここで、マイクロ波を用いた一般的なプラズマ処理装置を図１４乃至図１６を参照して概略的に説明する。図１４は従来の一般的なプラズマ処理装置を示す構成図、図１５は平面アンテナ部材の部分を示す部分拡大図、図１６は平面アンテナ部材を示す平面図である。
【０００３】
図１４において、このプラズマ処理装置２は、真空引き可能になされた処理容器４内に半導体ウエハＷを載置する載置台６を設けており、この載置台６に対向する天井部にマイクロ波を透過する例えば窒化アルミ等よりなる絶縁板８を気密に設けている。
そして、この絶縁板８の上面に図１６にも示すような厚さ数ｍｍ程度の円板状の平面アンテナ部材１０と、必要に応じてこの平面アンテナ部材１０の半径方向におけるマイクロ波の波長を短縮するための例えば誘電体よりなる遅波材１２を設置している。この遅波材１２の上方には、内部に冷却水を流す冷却水流路２０が形成された天井冷却ジャケット２２が設けられており、遅波材１２等を冷却するようになっている。そして、アンテナ部材１０には多数の略円形の貫通孔よりなるマイクロ波放射孔１４が形成されている。このマイクロ波放射孔１４は一般的には、図１６に示すように同心円状に配置されたり、或いは螺旋状に配置されている。この場合、マイクロ波放射孔１４のアンテナ部材の半径方向におけるピッチＨ１は、一般的に遅波材１２の波長短縮効果により短縮されたマイクロ波の１波長程度、例えば４０ｍｍ程度に設定され、また、このマイクロ波放射孔１４の直径Ｈ２は２０ｍｍ程度である。そして、平面アンテナ部材１０の中心部に同軸導波管１６の内部ケーブル１８を接続して図示しないマイクロ波発生器より発生した、例えば２．４５ＧＨｚのマイクロ波を導くようになっている。そして、マイクロ波をアンテナ部材１０の半径方向へ放射状に伝播させつつアンテナ部材１０に設けたマイクロ波放射孔１４から下方の処理容器４内へマイクロ波を導入し、このマイクロ波により処理容器４内にプラズマを立てて半導体ウエハにエッチングや成膜などの所定のプラズマ処理を施すようになっている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、半導体ウエハに対して面内均一にプラズマ処理を施すためには、処理空間Ｓにてプラズマ密度ができるだけ均一に立つように設定するのが望ましいが、遅波材１２として用いられる窒化アルミ（ＡｌＮ）の比誘電率は１０程度でそれ程大きくはなく、従って、波長短縮効果もそれ程大きくはない。このため、直径３６０ｍｍ程度になされている８インチウエハサイズ用の平面アンテナ部材１０に形成できるマイクロ波放射孔１４の配列は、アンテナ全面で例えば同心円状、或いは螺旋状に３巻程度しか形成することができない。一般に、マイクロ波は、このマイクロ波放射孔１４の部分からその直下の処理空間Ｓへ放射されることから、処理空間Ｓ内においてこのマイクロ波放射孔１４の直下に対応する部分のプラズマ密度が周囲と比較して高くなる傾向にあるが、上述のようにマイクロ波放射孔１４の配列が３巻程度であるのでその形成密度が粗く、この結果、その分、処理空間Ｓ内におけるプラズマ密度の濃度差が大きくなり、プラズマ密度を処理空間Ｓの面内方向に均一にすることが困難になる、といった問題点があった。
【０００５】
また、処理容器４の天井部を区画する絶縁板８も、一般的には誘電損失が比較的低い窒化アルミ（ＡｌＮ）を用いているが、それでも誘電損失による発生は避けられず、多くのマイクロ波の電力が、ここで誘電損失として無駄に消費されてしまい、エネルギー効率が低下する原因となっていた。そこで、絶縁板８として誘電損失が少ない材料のものを用いることも考えられるが、誘電損失が少ない材料は上記窒化アルミ程には熱伝導率がよくないので、発生した熱が処理容器４の側壁側にに放熱されることなく絶縁板８の内部に溜ってこれが過度に昇温し、これがためにこの絶縁板８に接近して設置されている半導体ウエハの温度分布に悪影響を与える、といった新たな問題があり、採用されるまでには至っていない。
【０００６】
本発明は、以上のような問題点に着目し、これを有効に解決すべく創案されたものである。本発明の目的は、遅波材として比誘電率の大きい材料を用いて波長短縮効果を増大させることによりマイクロ波放射孔の形成ピッチや形状を小さくでき、もってプラズマ密度の面内均一性を高めることができるプラズマ処理装置を提供することにある。
本発明の他の目的は、絶縁板として、誘電損失は小さいが熱伝導率も小さい材料を用いた場合に、これを効率的に冷却することができるプラズマ処理装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
請求項１に規定する発明は、天井部に気密に装着された絶縁板が設けられて内部が真空引き可能になされた処理容器と、被処理体を載置するために前記処理容器内に設けられた載置台と、前記絶縁板の上に設けられて所定のピッチで形成された複数のマイクロ波放射孔を有する平面アンテナ部材と、前記平面アンテナ部材の上部に配置された遅波材と、前記処理容器内へ所定のガスを導入するガス供給手段とを有するプラズマ処理装置において、前記遅波材は、比誘電率が１２以上の高誘電率特性を有する材料からなり、前記遅波材は液体であると共に前記液体を、流体通路を多重に平面状に設けた液体ジャケットに流通させることにより形成される冷却手段を兼用していることを特徴とするプラズマ処理装置である。
【０００８】
このように、高誘電率特性を有する遅波材を用いるようにしたので、マイクロ波に対する波長短縮効果が向上し、このため平面アンテナ部材に設けたマイクロ波放射孔のピッチや大きさを小さくでき、従って、その分、処理空間におけるプラズマ密度の面内均一性を向上させることが可能となる。また、冷却手段により平面アンテナ部材を冷却することが可能となる。
【０００９】
請求項２に規定する発明は、内部が真空引き可能になされた処理容器と、前記処理容器の天井部に気密に配置された絶縁板と、前記処理容器内に設けられて被処理体を載置するための載置台と、前記絶縁板の上方に設けられて所定のピッチで形成された複数のマイクロ波放射孔からマイクロ波を前記絶縁板を介して前記処理容器内へ導入する平面アンテナ部材と、前記処理容器内へ所定のガスを導入するガス供給手段とを有するプラズマ処理装置において、前記絶縁板は、窒化アルミよりも誘電損失の小さい材料で構成され、前記平面アンテナ部材と前記絶縁板との間に、流体通路を多重に平面状に設けて液体を流すようにした液体ジャケットよりなる冷却手段を設けるように構成したことを特徴とするプラズマ処理装置である。
このように、平面アンテナ部材とマイクロ波を透過させる絶縁板との間に冷却手段を設けるようにして、この絶縁板を効率的に冷却することができるようにしたので、絶縁板として熱伝導率が小さくても誘電損失の小さな材料を用いることが可能となり、マイクロ波の導入効率を向上させることができる。
【００１０】
また、例えば請求項３に規定するように、前記平面アンテナ部材の下面と前記冷却手段の上面との間には、保護板が介在されているようにしてもよい。
これによれば、保護板により冷却手段の構成部分を、平面アンテナ部材にて発生する異常放電から保護することが可能となる。
【００１１】
また、例えば請求項４に規定するように、前記液体は、純水である。
また、例えば請求項５に規定するように、前記絶縁板は、アルミナと窒化シリコンと石英よりなる群より選択される１つよりなる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の係るプラズマ処理装置の一実施例を添付図面に基づいて詳述する。
図１は本発明に係るプラズマ処理装置の第１の発明の第１実施例を示す構成図、図２は第１の発明の第１実施例の平面アンテナ部材の近傍を示す部分拡大図、図３は冷却手段の一例を示す斜視図、図４は平面アンテナ部材を示す平面図である。
本実施例においてはプラズマ処理装置をプラズマＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）処理に適用した場合について説明する。図示するようにこのプラズマ処理装置３０は、例えば側壁や底部がアルミニウム等の導体により構成されて、全体が筒体状に成形された処理容器３２を有しており、内部は密閉された処理空間Ｓとして構成されている。
【００１３】
この処理容器３２内には、上面に被処理体としての例えば半導体ウエハＷを載置する載置台３４が収容される。この載置台３４は、例えばアルマイト処理したアルミニウム等により凸状に平坦になされた略円柱状に形成されており、この下部は同じくアルミニウム等により円柱状になされた支持台３６により支持されると共にこの支持台３６は処理容器３２内の底部に絶縁材３８を介して設置されている。
上記載置台３４の上面には、ここにウエハを保持するための静電チャック或いはクランプ機構（図示せず）が設けられ、この載置台３４は給電線４０を介してマッチングボックス４２及び例えば１３．５６ＭＨｚのバイアス用高周波電源４４に接続されている。尚、このバイアス用高周波電源４４を設けない場合もある。
【００１４】
上記載置台３４を支持する支持台３６には、プラズマ処理時のウエハを冷却するための冷却水等を流す冷却ジャケット４６が設けられる。尚、必要に応じてこの載置台３４中に加熱用ヒータを設けてもよい。
上記処理容器３２の側壁には、ガス供給手段として、容器内にプラズマ用ガス、例えばアルゴンガスを供給する石英パイプ製のプラズマガス供給ノズル４８や処理ガス、例えばデポジションガスを導入するための例えば石英パイプ製の処理ガス供給ノズル５０が設けられ、これらのノズル４８、５０はそれぞれガス供給路５２、５４によりマスフローコントローラ５６、５８及び開閉弁６０、６２を介してそれぞれプラズマガス源６４及び処理ガス源６６に接続されている。処理ガスとしてのデポジションガスは、ＳｉＨ4 、Ｏ2 、Ｎ2 ガス等を用いることができる。
【００１５】
また、容器側壁の外周には、この内部に対してウエハを搬入・搬出する時に開閉するゲートバルブ６８が設けられると共に、この側壁を冷却する冷却ジャケット６９が設けられる。また、容器底部には、図示されない真空ポンプに接続された排気口７０が設けられており、必要に応じて処理容器３２内を所定の圧力まで真空引きできるようになっている。
そして、処理容器３２の天井部は開口されて、ここに例えばＡｌＮなどのセラミック材よりなるマイクロ波に対しては透過性を有する厚さ２０ｍｍ程度の絶縁板７２がＯリング等のシール部材７４を介して気密に設けられる。
【００１６】
そして、この絶縁板７２の上面に本発明の特徴とする円板状の平面アンテナ部材７６と高誘電率特性を有する遅波材７８とが設けられる。具体的にはこの平面アンテナ部材７６は、上記処理容器３２と一体的に成形されている中空円筒状容器よりなる導波箱８０の底板として構成され、前記処理容器３２内の上記載置台３４に対向させて設けられる。
この導波箱８０の上部の中心には、同軸導波管８２の外管８２Ａが接続され、内部の内部ケーブル８２Ｂは上記平面アンテナ部材７６の中心部に接続される。そして、この同軸導波管８２は、モード変換器８４及び導波管８６を介して例えば２．４５ＧＨｚのマイクロ波発生器８８に接続されており、上記平面アンテナ部材７６へマイクロ波を伝播するようになっている。この周波数は２．４５ＧＨｚに限定されず、他の周波数、例えば８．３５ＧＨｚを用いてもよい。この導波管としては、断面円形或いは矩形の導波管や同軸導波管を用いることができ、本実施例では同軸導波管が用いられる。そして、上記導波箱８０内であって、平面アンテナ部材７６の上面には、上記高誘電率特性を有する遅波材７８を設けて、この波長短縮効果により、マイクロ波の管内波長を短くしている。この遅波材７８の構成については後述する。
【００１７】
また、上記平面アンテナ部材７６は、８インチサイズのウエハ対応の場合には、例えば直径が３０〜４０ｍｍ、厚みが１〜数ｍｍ、例えば５ｍｍの導電性材料よりなる円板、例えば表面が銀メッキされた銅板或いはアルミ板よりなり、この円板には図４にも示すように例えば円形の貫通孔よりなる多数のマイクロ波放射孔９０が、アンテナ部材７６に略均等に配置させて設けられている。このマイクロ波放射孔９０の配置形態は、特に限定されず、例えば同心円状、螺旋状、或いは放射状に配置させてもよいが、図示例では同心円状に配置されている。また、マイクロ波放射孔９０の形状は円形に限定されず、例えば長溝のスリット形状等でもよく、また、このスリット形状の放射孔をハの字状に配列させるようにしてもよい。
【００１８】
ここで、各マイクロ波放射孔９０のアンテナ部材７６の半径方向への配置ピッチＨ３は特には限定されないが、例えば管内波長λの略１倍程度である。尚、管内波長とは、遅波材７８の波長短縮効果により短くなされた波長を指す。ここで遅波材７８によりマイクロ波は大きな波長短縮効果を受けているので、マイクロ波放射孔９０の直径Ｈ４及びそのピッチＨ３は従来構造よりもかなり小さく設定されている。
尚、遅波材７８の比誘電率をεとすると管内波長λ１は、λ１＝λ０／ε1/2 （ここでλ０はマイクロ波の真空中の波長）となる。
また、上記遅波材７８は、ここでは主に液体、例えば純水により形成されている。具体的には、この遅波材７８は、樹脂性のチューブ例えばテフロンチューブ等よりなる可撓性のある液体通路９４を図３に示すように同心円状に密接させて多重に平面状に巻回し、且つ上下に２層構造とした液体ジャケット９６よりなり、この液体ジャケット９６の流体入口９６Ａと流体出口９６Ｂとを図２に示すように導波箱８０の外側へ引き出し、必要に応じてこれに純水を流し得るようになっている。この場合、このテフロンチューブの流体通路９４の断面は略矩形状になされており、この流路の縦Ｌ１及び横Ｌ２はそれぞれ２ｍｍ及び１０ｍｍ程度に設定されている。
【００１９】
尚、この場合、液体ジャケット９６として、テフロンチューブを巻回するのではなく、全体を単なる中空の容器として形成してもよい。また、テフロンチューブの巻回の方法も特に限定されず、例えば２つ折りにしたテフロンチューブを中心側より外側に向けて順次巻き重ねるようにしてもよい。
このように、導波箱８０内の平面アンテナ部材７６の上面側に液体ジャケット９６よりなる遅波材７８を設置することにより、この波長短縮効果によりマイクロ波の管内波長を短くすることが可能となる。ちなみに純水の比誘電率は８０程度であり、窒化アルミの８．５程度よりもかなり大きい。この場合、比誘電率が略１２以上であれば、十分に高い波長短縮効果を得られることができる。
【００２０】
次に、以上のように構成された装置を用いて行なわれる処理方法について説明する。
まず、ゲートバルブ６８を介して半導体ウエハＷを搬送アーム（図示せず）により処理容器３２内に収容し、リフタピン（図示せず）を上下動させることによりウエハＷを載置台３４の上面の載置面に載置する。
そして、処理容器３２内を所定のプロセス圧力、例えば０．０１〜数Ｐａの範囲内に維持して、プラズマガス供給ノズル４８から例えばアルゴンガスを流量制御しつつ供給すると共に処理ガス供給ノズル５０から例えばＳｉＨ4 、Ｏ2 、Ｎ2 等のデポジションガスを流量制御しつつ供給する。同時にマイクロ波発生器８８からのマイクロ波を、導波管８６及び同軸導波管８２を介して平面アンテナ部材７６に供給して処理空間Ｓに、遅波材７８によって波長が短くされたマイクロ波を導入し、これによりプラズマを発生させて所定のプラズマ処理、例えばプラズマＣＶＤによる成膜処理を行う。
【００２１】
ここで、マイクロ波発生器８８にて発生した例えば２．４５ＧＨｚのマイクロ波はモード変換後に例えばＴＥＭモードで同軸導波管８２内を伝播して導波箱８０内のアンテナ部材７６に到達し、内部ケーブル８２Ｂの接続された円板状のアンテナ部材７６の中心部から放射状に周辺部に伝播される間に、このアンテナ部材７６に同心円状或いは螺旋状に略均等に多数形成された円形のマイクロ波放射孔９０から絶縁板７２を介してアンテナ部材７６の直下の処理空間Ｓにマイクロ波を導入する。
このマイクロ波により励起されたアルゴンガスがプラズマ化し、この下方に拡散してここで処理ガスを活性化して活性種を作り、この活性種の作用でウエハＷの表面に処理、例えばプラズマＣＶＤ処理が施されることになる。
【００２２】
そして、このプラズマ処理中においては、平面アンテナ部材７６の上部に設けた液体ジャケット９６に、その流体入口９６Ａより純水を供給し、この純水を上下２段に巻回して積層させた流体通路９４内に流通させた後に流体出口９６Ｂから流出させている。
この実質的に遅波材として機能する純水は、マイクロ波に対して波長短縮作用を及ぼし、しかも、ここでは従来よりも比誘電率が遥かに大きい遅波材、例えば純水を用いているので、大きな波長短縮効果を呈することになる。具体的には遅波材として、従来は比誘電率が１０程度の窒化アルミ等が用いられていたが、ここでは比誘電率が８０程度の純水を用いているので、本実施例では波長短縮効果を略３倍程度向上させて、従来装置よりも管内波長を１／３程まで短くすることができる。尚、波長短縮効果は比誘電率の逆数の平方根で表され、例えば比誘電率が８０程度の純水も場合には、マイクロ波の波長は真空中の１／９程度になる。
【００２３】
このように、大きな波長短縮効果が得られることから、図４に示すようにマイクロ波放射孔９０のアンテナ半径方向における配列のピッチＨ３は通常はマイクロ波の管内波長と同じ程度に設定することから、従来の平面アンテナ部材１０（図１６参照）と比較して、１／３程度まで小さくでき、従って、より多くのマイクロ波放射孔９０を密度の高い状態で形成することができる。
また、各マイクロ波放射孔９０の大きさ、例えば直径Ｈ４も波長短縮効果の向上により、更に小さくできるので、この点よりもマイクロ波放射孔９０をより高密度に形成することができる。
このように、マイクロ波放射孔９０をより高密度に形成できる結果、処理室空間Ｓにおけるプラズマ密度の面内均一性をより向上させて、半導体ウエハＷのプラズマ処理の面内均一性を向上させることができる。図５はこの点を模式的に示す図であり、本発明装置と従来装置の平面アンテナ部材の形状とプラズマ密度との関係を模式的に示している。
【００２４】
先に説明したように、平面アンテナ部材にあっては、マイクロ波はプラズマ放射孔よりその直下に多く放射されるので、プラズマ放射孔の直下のプラズマ密度は他の部分と比較して大きくなる。そして、上述のように、本実施例ではプラズマ放射孔の配列ピッチを小さくした結果、その形成密度を大きく設定できるので、図５（Ａ）に示す従来のアンテナ部材１０におけるプラズマ密度のピークとボトムとの差Ｐ１よりも、図５（Ｂ）に示す本実施例のアンテナ部材７６におけるプラズマ密度のピークとボトムとの差Ｐ２を遥かに小さくでき、この結果、上述のように処理空間Ｓにおけるプラズマ密度の面内均一性を向上させることが可能となる。
また、ここでは遅波材として純水を流しているので、これが冷却作用を発揮し、平面アンテナ部材７６等を冷却してこの昇温を防止することもできる。この場合、例えば純水の流量は１リットル／分程度である。
また、この冷却によって、例えば平面アンテナ部材７６等を、例えば８０℃程度に一定となるように維持する。このように冷却により８０℃程度に一定に維持する点は、後述するように絶縁板７２を冷却する場合も同じである。
【００２５】
また、ここでは液体ジャケット９６を２層構造としたが、これに限定されず、単層構造、或いは３層以上の多層構造としてもよい。
また、実質的に遅波材として機能する液体は、純水に限定されず、高い冷媒機能を有するフッ素系不活性液体、例えばフロリナート（商品名）等も用いることができる。
また、従来装置と比較して十分なプラズマ密度の面内均一性の向上を図るためには、遅波材としては比誘電率が２０程度以上の材料を用いればよい。従って、遅波材としては比誘電率が８０程度の純水に限定されず、他の材料、例えば高誘電率セラミックを用いることができる。この高誘電率セラミックとしては、比誘電率が２０程度のタンタル酸化物（Ｔａ2 Ｏ5 ）、比誘電率が３０〜４０程度のジルコニウム酸化物（ＺｒｘＯｙ）やハフニウム酸化物（ＨｆｘＯｙ）等を用いることができる。この場合には、遅波材は液体ではなく固体となる。図６はこのような第１の発明の第２実施例の平面アンテナ部材の近傍を示す部分拡大図であり、図７は固体の遅波材を示す平面図である。尚、図６中においては、図２中と同一構成部材については同一符号を付してその説明を省略する。
【００２６】
ここでは、平面アンテナ部材７６の上部に設ける高誘電率特性を有する遅波材１００は、上述のように固体の高誘電率セラミックを用いている。この遅波材１００は、中心部に中心孔１０２を有する円板状に形成されている。また、この遅波材１００の厚さは、例えば４ｍｍ程度あれば十分に波長短縮効果を発揮することができる。また、この種の高誘電率セラミックは、大きな円板状に一体焼成することは比較的困難なので、図７に示すように、例えば扇状に８分割された大きさの高誘電体セラミックのブロック体１０４を焼成し、これを円板状に組み合わせるようにすればよい。
ただし、このように遅波材１００として固体を用いた場合には、図２に示す純水を用いた第１実施例とは異なり、冷却機能を有していないので、導波箱８０の天井部上面に、従来装置の図１５にて説明したと同様な構造の冷却水流路２０を有する冷却ジャケット２２を設けるようにする。
この第２実施例の場合も、第１実施例と同様な作用効果を示し、先の純水の場合程ではないが、大きなマイクロ波の波長短縮効果を発揮でき、従って、これに対応して平面アンテナ部材７６のマイクロ波放射孔９０の配列の密度を高めることができるので、処理空間Ｓにおけるプラズマ密度の面内均一性を向上させることができる。
【００２７】
次に、第２の発明について説明する。
前述した第１の発明では遅波材を改良することにより、より大きな波長短縮効果を発揮することを目的としているが、第２の発明においては、マイクロ波を透過する絶縁板として誘電損失が比較的小さい材質のものを用い、この時、絶縁板に発生する熱を効率的に冷却するようにする点を目的としている。
図８は本発明のプラズマ処理装置の第２の発明の第１実施例の平面アンテナ部材の近傍を示す部分拡大図、図９は図８中の液体ジャケットを示す斜視図である。尚、図８中では、先に説明した図と同一構成部分については同一符号を付して説明する。また、図８に示されていない部分は、図１において説明したと同様な構成になされている。
【００２８】
この図８に示す第２の発明の第１実施例では、絶縁板１１０としては、誘電損失が大きい従来の窒化アルミ（ＡｌＮ）ではなく、誘電損失が非常に小さい材料（低誘電損失）、例えばアルミナ、窒化シリコン、或いは石英等を用い、これによりマイクロ波を効率的に処理空間Ｓに投入することが可能となる。この場合、この低誘電損失の材料は一般的に、上記窒化アルミよりも熱伝導性が劣るので、誘電損失によって発生した熱が他に逃げにくくなってこの直下に設置されるウエハの熱分布に悪影響を与える恐れが生ずるので、ここでは平面アンテナ部材７６と上記絶縁板１１０との間であって、上記絶縁板１１０の上面に直接的に接するように冷却手段１１２を設け、上記絶縁板１１０を直接的に冷却するようになっている。
尚、この場合、平面アンテナ部材７６上に設ける遅波材は、図１５の従来装置に示した窒化アルミ８を用いてもよいし、先の第１の発明で説明した高誘電率特性を有する遅波材７８、１００を用いてもどちらでもよく、図８においては固体の高誘電率特性を有する遅波材１００を用いた場合を例に示している。
【００２９】
図９に示すように上記冷却手段１１２としては、先に図３に説明したと同様な構造になされている。すなわち、この冷却手段１１２は、樹脂性のチューブ例えばテフロンチューブ等よりなる可撓性のある液体通路１１４を図９に示すように同心円状に密接させて多重に平面状に巻回して１層構造とした液体ジャケット１１６よりなり、この液体ジャケット１１６の流体入口１１６Ａと流体出口１１６Ｂとを図８に示すように導波箱８０の外側へ引き出し、必要に応じてこれに純水を流し得るようになっている。この場合、このテフロンチューブの流体通路１１４の断面は略矩形状になされており、この流路の縦Ｌ１及び横Ｌ２はそれぞれ２ｍｍ及び１０ｍｍ程度に設定されている。また、テフロンチューブの巻回の方法も特に限定されず、例えば２つ折りにしたテフロンチューブを中心側より外側に向けて順次巻き重ねるようにしてもよい。
尚、この場合、液体ジャケット１１６として、テフロンチューブを巻回するのではなく、全体を単なる中空の容器として形成してもよい。この点については後述する。
【００３０】
この場合、液体ジャケット１１６を図２の場合と同様に２層構造としてもよい。また、図８に示すように、マイクロ波の放射性を高めるために、液体ジャケット１１６の上面と平面アンテナ部材７６の下面との間の距離Ｈ５を例えば５ｍｍ程度離間させるようにとってもよいし、或いはこれらを接した状態で設けるようにしてもよい。そして、液体ジャケット１１６の上面と平面アンテナ部材７６の下面とを接した場合には、この１つの液体ジャケット１１６により、平面アンテナ部材７６と絶縁板１１０の双方を冷却することができる。
この実施例の場合には、絶縁板１１０に低誘電損失の材料を用いているので、プラズマ処理時にこの絶縁板１１０をマイクロ波が通過する時に発生する誘電損失を、大幅に抑制することができ、例えばこの絶縁板として窒化アルミを用いた装置では３０％のエネルギー損失があったが、本実施例の場合には１０〜１５％程度のエネルギー損失で済み、従って、マイクロ波の使用効率を大幅に改善することができる。
【００３１】
また、この場合、誘電損失によって絶縁板１１０が発熱することは避けられないが、この上面に接して配置した液体ジャケット１１６よりなる冷却手段１１２に冷媒として、例えば純水やフロリナート等を流すことにより、上記絶縁板１１０を全面に亘って効率的に冷却することができる。
従って、絶縁板１１０の温度上昇に伴って発生する半導体ウエハに対する熱分布の悪影響が半導体ウエハに及ぶことを防止することができる。また、この時の冷媒の流量は、特に限定されるものではないが、冷却効率等を考慮して、例えば１リットル／分程度に設定すればよい。
また、図８に示す第２の発明の第１実施例では、平面アンテナ部材７６の下面と冷却手段１１２の上面との間に距離Ｈ５の間隙を設けたが、この間隙部分に保護板を設けるようにしてもよい。図１０はこのような第２の発明の第２実施例を示す部分拡大図である。図示するように、ここでは平面アンテナ部材７６の下面と冷却手段１１２の上面との間に、厚さが５ｍｍ程度の保護板１２０を介在させている。この保護板１２０の材質は、例えば窒化アルミ、アルミナ等のセラミック板や石英板よりなる。
【００３２】
一般的に、プロセス中にあっては平面アンテナ部材７６に供給されるマイクロ波の電力により、例えばマイクロ波放射孔９０の近傍等に異常放電が発生することは避けられないが、上述のように保護板１２０を設けることにより、この異常放電により液体ジャケット１１６を形成するテフロンチューブ等が焼損することを防止し、これを保護することが可能となる。
また、図８及び図１０に示す第２の発明の第１及び第２実施例では、冷却手段１１２の液体ジャケット１１６は、例えばテフロンチューブ等を巻回することにより形成していたが、これに限定されず、これを薄い容器状に成形してもよい。
図１１はこのような第２の発明の第３実施例を示す部分拡大図である。ここでは冷却手段１１２を構成する液体ジャケット１１６を、例えばテフロン樹脂等により薄い円盤状の中空の容器状に成形しており、その一部に液体入口１１６Ａを形成し、その直径方向の反対側に液体出口１１６Ｂを設けている。この場合にも、図８にて説明したと同様な冷却効果を発揮することができる。
【００３３】
また、図８、図１０及び図１１に示す実施例では、平面アンテナ部材７６と絶縁板１１０との間のみに冷却手段１１２を設けて冷媒を流すようにしたが、これに限定されず、導波箱８０内全体に冷媒を流すようにしてもよい。図１２はこのような第２の発明の第４実施例を示す部分拡大図である。図１２に示すように、ここでは冷却手段１１２として例えばテフロン樹脂により上記導波箱８０の全体を収容し得る程度の大きさの液体容器１２２を形成しており、この液体容器１２２の上部を開放してこの内部に、導波箱８０、平面アンテナ部材７６及び固体の遅波材１００を収容している。
そして、この液体容器１２２の側壁の高い位置に（平面アンテナ部材７６の取り付け位置よりも高い位置に）、この容器側壁及び導波箱８０の側壁を貫通させて液体入口１１６Ａを設け、液体容器１２２の側壁の低い位置に（平面アンテナ部材７６の取り付け位置よりも低い位置に）、この容器側壁及び導波箱８０の側壁を貫通させて液体出口１１６Ｂを設け、これにより、導波箱８０内に導入された冷媒が、平面アンテナ部材７６のマイクロ波放射孔９０を介してその上方より下方へ流れるようになっている。尚、この場合、液体入口１１６Ａと液体出口１１６Ｂの取り付け位置を逆に設定してもよい。
【００３４】
これによれば、平面アンテナ部材７６や固体の遅波材１００も冷媒に浸漬されることから、絶縁板１１０を冷却する機能を発揮するのみならず、平面アンテナ部材７６や固体の遅波材１００自体も、この冷媒で冷却することができる。尚、この実施例において、固体の遅波材１００を取り除いてこの部分も冷媒、例えば純水で満たせば、この純水が第１の発明で説明した液体の遅波材７８（図２参照）として機能することになり、この冷媒に、冷却機能と波長短縮機能を併せて持たせることができる。
また、以上の第２の発明では、主として固体の遅波材１００を併せ持った場合について説明してきたが、これに代えて、液体の遅波材を併せ持たせるようにしてもよい。
【００３５】
図１３はこのような第２の発明の第５実施例を示す部分拡大図である。図１３に示すように、ここでは平面アンテナ部材７６と絶縁板１１０との間に図８にて説明したような冷却手段１１２を介在させると共に、この平面アンテナ部材７６の上部に図２及び図３にて説明したような液体ジャケット９６よりなる遅波材７８を設けている。この場合にも、第１の発明と第２の発明の作用効果を併せて発揮することができる。
尚、本実施例では、半導体ウエハに成膜処理する場合を例にとって説明したが、これに限定されず、プラズマエッチング処理、プラズマアッシング処理等の他のプラズマ処理にも適用することができる。
また、被処理体としても半導体ウエハに限定されず、ガラス基板、ＬＣＤ基板等に対しても適用することができる。
【００３６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のプラズマ処理装置によれば、次のように優れた作用効果を発揮することができる。
請求項１及びこれを引用する請求項に係る発明によれば、高誘電率特性を有する遅波材を用いるようにしたので、マイクロ波に対する波長短縮効果が向上し、このため平面アンテナ部材に設けたマイクロ波放射孔のピッチや大きさを小さくでき、従って、その分、処理空間におけるプラズマ密度の面内均一性を向上させることができる。また、冷却手段により平面アンテナ部材を冷却することができる。
請求項２及びこれを引用する請求項に係る発明によれば、平面アンテナ部材とマイクロ波を透過させる絶縁板との間に、冷却手段を設けるようにして、この絶縁板を効率的に冷却することができるようにしたので、絶縁板として熱伝導率が小さくても誘電損失の小さな材料を用いることが可能となり、マイクロ波の導入効率を向上させることができる。
特に請求項３に係る発明によれば、保護板により冷却手段の構成部分を、平面アンテナ部材にて発生する異常放電から保護することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るプラズマ処理装置の第１の発明の第１実施例を示す構成図である。
【図２】第１の発明の第１実施例の平面アンテナ部材の近傍を示す部分拡大図である。
【図３】冷却手段の一例を示す斜視図である。
【図４】平面アンテナ部材を示す平面図である。
【図５】本発明装置と従来装置の平面アンテナ部材の形状とプラズマ密度との関係を模式的に示す図である。
【図６】第１の発明の第２実施例の平面アンテナ部材の近傍を示す部分拡大図である。
【図７】固体の遅波材を示す平面図である。
【図８】本発明のプラズマ処理装置の第２の発明の第１実施例の平面アンテナ部材の近傍を示す部分拡大図である。
【図９】図８中の液体ジャケットを示す斜視図である。
【図１０】第２の発明の第２実施例を示す部分拡大図である。
【図１１】第２の発明の第３実施例を示す部分拡大図である。
【図１２】第２の発明の第４実施例を示す部分拡大図である。
【図１３】第２の発明の第５実施例を示す部分拡大図である。
【図１４】従来の一般的なプラズマ処理装置を示す構成図である。
【図１５】平面アンテナ部材の部分を示す部分拡大図である。
【図１６】平面アンテナ部材を示す平面図である。
【符号の説明】
３０ プラズマ処理装置
３２ 処理容器
３４ 載置台
４８，５０ ガス供給手段
７２ 絶縁板
７６ 平面アンテナ部材
７８ 高誘電率特性を有する遅波材（液体）
８０ 導波箱
８２ 同軸導波箱
８８ マイクロ波発生器
９０ マイクロ波放射孔
９４ 液体通路
９６ 液体ジャケット
１００ 高誘電率特性を有する遅波材（固体）
１１０ 絶縁板
１１２ 冷却手段
１１４ 液体通路
１１６ 液体通路
１２２ 液体容器
Ｗ 半導体ウエハ（被処理体）
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体ウエハ等に対してマイクロ波により生じたプラズマを作用させて処理を施す際に使用されるプラズマ処理装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、半導体製品の高密度化及び高微細化に伴い半導体製品の製造工程において、成膜、エッチング、アッシング等の処理のためにプラズマ処理装置が使用される場合があり、特に、０．１〜数１０ｍＴｏｒｒ程度の比較的圧力が低い高真空状態でも安定してプラズマを立てることができることからマイクロ波を用いて、或いはマイクロ波とリング状のコイルからの磁場とを組み合わせて高密度プラズマを発生させるマイクロ波プラズマ装置が使用される傾向にある。
このようなプラズマ処理装置は、特開平３−１９１０７３号公報、特開平５−３４３３３４号公報や本出願人による特開平９−１８１０５２号公報等に開示されている。ここで、マイクロ波を用いた一般的なプラズマ処理装置を図１４乃至図１６を参照して概略的に説明する。図１４は従来の一般的なプラズマ処理装置を示す構成図、図１５は平面アンテナ部材の部分を示す部分拡大図、図１６は平面アンテナ部材を示す平面図である。
【０００３】
図１４において、このプラズマ処理装置２は、真空引き可能になされた処理容器４内に半導体ウエハＷを載置する載置台６を設けており、この載置台６に対向する天井部にマイクロ波を透過する例えば窒化アルミ等よりなる絶縁板８を気密に設けている。
そして、この絶縁板８の上面に図１６にも示すような厚さ数ｍｍ程度の円板状の平面アンテナ部材１０と、必要に応じてこの平面アンテナ部材１０の半径方向におけるマイクロ波の波長を短縮するための例えば誘電体よりなる遅波材１２を設置している。この遅波材１２の上方には、内部に冷却水を流す冷却水流路２０が形成された天井冷却ジャケット２２が設けられており、遅波材１２等を冷却するようになっている。そして、アンテナ部材１０には多数の略円形の貫通孔よりなるマイクロ波放射孔１４が形成されている。このマイクロ波放射孔１４は一般的には、図１６に示すように同心円状に配置されたり、或いは螺旋状に配置されている。この場合、マイクロ波放射孔１４のアンテナ部材の半径方向におけるピッチＨ１は、一般的に遅波材１２の波長短縮効果により短縮されたマイクロ波の１波長程度、例えば４０ｍｍ程度に設定され、また、このマイクロ波放射孔１４の直径Ｈ２は２０ｍｍ程度である。そして、平面アンテナ部材１０の中心部に同軸導波管１６の内部ケーブル１８を接続して図示しないマイクロ波発生器より発生した、例えば２．４５ＧＨｚのマイクロ波を導くようになっている。そして、マイクロ波をアンテナ部材１０の半径方向へ放射状に伝播させつつアンテナ部材１０に設けたマイクロ波放射孔１４から下方の処理容器４内へマイクロ波を導入し、このマイクロ波により処理容器４内にプラズマを立てて半導体ウエハにエッチングや成膜などの所定のプラズマ処理を施すようになっている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、半導体ウエハに対して面内均一にプラズマ処理を施すためには、処理空間Ｓにてプラズマ密度ができるだけ均一に立つように設定するのが望ましいが、遅波材１２として用いられる窒化アルミ（ＡｌＮ）の比誘電率は１０程度でそれ程大きくはなく、従って、波長短縮効果もそれ程大きくはない。このため、直径３６０ｍｍ程度になされている８インチウエハサイズ用の平面アンテナ部材１０に形成できるマイクロ波放射孔１４の配列は、アンテナ全面で例えば同心円状、或いは螺旋状に３巻程度しか形成することができない。一般に、マイクロ波は、このマイクロ波放射孔１４の部分からその直下の処理空間Ｓへ放射されることから、処理空間Ｓ内においてこのマイクロ波放射孔１４の直下に対応する部分のプラズマ密度が周囲と比較して高くなる傾向にあるが、上述のようにマイクロ波放射孔１４の配列が３巻程度であるのでその形成密度が粗く、この結果、その分、処理空間Ｓ内におけるプラズマ密度の濃度差が大きくなり、プラズマ密度を処理空間Ｓの面内方向に均一にすることが困難になる、といった問題点があった。
【０００５】
また、処理容器４の天井部を区画する絶縁板８も、一般的には誘電損失が比較的低い窒化アルミ（ＡｌＮ）を用いているが、それでも誘電損失による発生は避けられず、多くのマイクロ波の電力が、ここで誘電損失として無駄に消費されてしまい、エネルギー効率が低下する原因となっていた。そこで、絶縁板８として誘電損失が少ない材料のものを用いることも考えられるが、誘電損失が少ない材料は上記窒化アルミ程には熱伝導率がよくないので、発生した熱が処理容器４の側壁側にに放熱されることなく絶縁板８の内部に溜ってこれが過度に昇温し、これがためにこの絶縁板８に接近して設置されている半導体ウエハの温度分布に悪影響を与える、といった新たな問題があり、採用されるまでには至っていない。
【０００６】
本発明は、以上のような問題点に着目し、これを有効に解決すべく創案されたものである。本発明の目的は、遅波材として比誘電率の大きい材料を用いて波長短縮効果を増大させることによりマイクロ波放射孔の形成ピッチや形状を小さくでき、もってプラズマ密度の面内均一性を高めることができるプラズマ処理装置を提供することにある。
本発明の他の目的は、絶縁板として、誘電損失は小さいが熱伝導率も小さい材料を用いた場合に、これを効率的に冷却することができるプラズマ処理装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
請求項１に規定する発明は、天井部に気密に装着された絶縁板が設けられて内部が真空引き可能になされた処理容器と、被処理体を載置するために前記処理容器内に設けられた載置台と、前記絶縁板の上に設けられて所定のピッチで形成された複数のマイクロ波放射孔を有する平面アンテナ部材と、前記平面アンテナ部材の上部に配置された遅波材と、前記処理容器内へ所定のガスを導入するガス供給手段とを有するプラズマ処理装置において、前記遅波材は、比誘電率が１２以上の高誘電率特性を有する材料からなり、前記遅波材は液体であると共に前記液体を、流体通路を多重に平面状に設けた液体ジャケットに流通させることにより形成される冷却手段を兼用していることを特徴とするプラズマ処理装置である。
【０００８】
このように、高誘電率特性を有する遅波材を用いるようにしたので、マイクロ波に対する波長短縮効果が向上し、このため平面アンテナ部材に設けたマイクロ波放射孔のピッチや大きさを小さくでき、従って、その分、処理空間におけるプラズマ密度の面内均一性を向上させることが可能となる。また、冷却手段により平面アンテナ部材を冷却することが可能となる。
【０００９】
請求項２に規定する発明は、内部が真空引き可能になされた処理容器と、前記処理容器の天井部に気密に配置された絶縁板と、前記処理容器内に設けられて被処理体を載置するための載置台と、前記絶縁板の上方に設けられて所定のピッチで形成された複数のマイクロ波放射孔からマイクロ波を前記絶縁板を介して前記処理容器内へ導入する平面アンテナ部材と、前記処理容器内へ所定のガスを導入するガス供給手段とを有するプラズマ処理装置において、前記絶縁板は、窒化アルミよりも誘電損失の小さい材料で構成され、前記平面アンテナ部材と前記絶縁板との間に、流体通路を多重に平面状に設けて液体を流すようにした液体ジャケットよりなる冷却手段を設けるように構成したことを特徴とするプラズマ処理装置である。
このように、平面アンテナ部材とマイクロ波を透過させる絶縁板との間に冷却手段を設けるようにして、この絶縁板を効率的に冷却することができるようにしたので、絶縁板として熱伝導率が小さくても誘電損失の小さな材料を用いることが可能となり、マイクロ波の導入効率を向上させることができる。
【００１０】
また、例えば請求項３に規定するように、前記平面アンテナ部材の下面と前記冷却手段の上面との間には、保護板が介在されているようにしてもよい。
これによれば、保護板により冷却手段の構成部分を、平面アンテナ部材にて発生する異常放電から保護することが可能となる。
【００１１】
また、例えば請求項４に規定するように、前記液体は、純水である。
また、例えば請求項５に規定するように、前記絶縁板は、アルミナと窒化シリコンと石英よりなる群より選択される１つよりなる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の係るプラズマ処理装置の一実施例を添付図面に基づいて詳述する。
図１は本発明に係るプラズマ処理装置の第１の発明の第１実施例を示す構成図、図２は第１の発明の第１実施例の平面アンテナ部材の近傍を示す部分拡大図、図３は冷却手段の一例を示す斜視図、図４は平面アンテナ部材を示す平面図である。
本実施例においてはプラズマ処理装置をプラズマＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）処理に適用した場合について説明する。図示するようにこのプラズマ処理装置３０は、例えば側壁や底部がアルミニウム等の導体により構成されて、全体が筒体状に成形された処理容器３２を有しており、内部は密閉された処理空間Ｓとして構成されている。
【００１３】
この処理容器３２内には、上面に被処理体としての例えば半導体ウエハＷを載置する載置台３４が収容される。この載置台３４は、例えばアルマイト処理したアルミニウム等により凸状に平坦になされた略円柱状に形成されており、この下部は同じくアルミニウム等により円柱状になされた支持台３６により支持されると共にこの支持台３６は処理容器３２内の底部に絶縁材３８を介して設置されている。
上記載置台３４の上面には、ここにウエハを保持するための静電チャック或いはクランプ機構（図示せず）が設けられ、この載置台３４は給電線４０を介してマッチングボックス４２及び例えば１３．５６ＭＨｚのバイアス用高周波電源４４に接続されている。尚、このバイアス用高周波電源４４を設けない場合もある。
【００１４】
上記載置台３４を支持する支持台３６には、プラズマ処理時のウエハを冷却するための冷却水等を流す冷却ジャケット４６が設けられる。尚、必要に応じてこの載置台３４中に加熱用ヒータを設けてもよい。
上記処理容器３２の側壁には、ガス供給手段として、容器内にプラズマ用ガス、例えばアルゴンガスを供給する石英パイプ製のプラズマガス供給ノズル４８や処理ガス、例えばデポジションガスを導入するための例えば石英パイプ製の処理ガス供給ノズル５０が設けられ、これらのノズル４８、５０はそれぞれガス供給路５２、５４によりマスフローコントローラ５６、５８及び開閉弁６０、６２を介してそれぞれプラズマガス源６４及び処理ガス源６６に接続されている。処理ガスとしてのデポジションガスは、ＳｉＨ4 、Ｏ2 、Ｎ2 ガス等を用いることができる。
【００１５】
また、容器側壁の外周には、この内部に対してウエハを搬入・搬出する時に開閉するゲートバルブ６８が設けられると共に、この側壁を冷却する冷却ジャケット６９が設けられる。また、容器底部には、図示されない真空ポンプに接続された排気口７０が設けられており、必要に応じて処理容器３２内を所定の圧力まで真空引きできるようになっている。
そして、処理容器３２の天井部は開口されて、ここに例えばＡｌＮなどのセラミック材よりなるマイクロ波に対しては透過性を有する厚さ２０ｍｍ程度の絶縁板７２がＯリング等のシール部材７４を介して気密に設けられる。
【００１６】
そして、この絶縁板７２の上面に本発明の特徴とする円板状の平面アンテナ部材７６と高誘電率特性を有する遅波材７８とが設けられる。具体的にはこの平面アンテナ部材７６は、上記処理容器３２と一体的に成形されている中空円筒状容器よりなる導波箱８０の底板として構成され、前記処理容器３２内の上記載置台３４に対向させて設けられる。
この導波箱８０の上部の中心には、同軸導波管８２の外管８２Ａが接続され、内部の内部ケーブル８２Ｂは上記平面アンテナ部材７６の中心部に接続される。そして、この同軸導波管８２は、モード変換器８４及び導波管８６を介して例えば２．４５ＧＨｚのマイクロ波発生器８８に接続されており、上記平面アンテナ部材７６へマイクロ波を伝播するようになっている。この周波数は２．４５ＧＨｚに限定されず、他の周波数、例えば８．３５ＧＨｚを用いてもよい。この導波管としては、断面円形或いは矩形の導波管や同軸導波管を用いることができ、本実施例では同軸導波管が用いられる。そして、上記導波箱８０内であって、平面アンテナ部材７６の上面には、上記高誘電率特性を有する遅波材７８を設けて、この波長短縮効果により、マイクロ波の管内波長を短くしている。この遅波材７８の構成については後述する。
【００１７】
また、上記平面アンテナ部材７６は、８インチサイズのウエハ対応の場合には、例えば直径が３０〜４０ｍｍ、厚みが１〜数ｍｍ、例えば５ｍｍの導電性材料よりなる円板、例えば表面が銀メッキされた銅板或いはアルミ板よりなり、この円板には図４にも示すように例えば円形の貫通孔よりなる多数のマイクロ波放射孔９０が、アンテナ部材７６に略均等に配置させて設けられている。このマイクロ波放射孔９０の配置形態は、特に限定されず、例えば同心円状、螺旋状、或いは放射状に配置させてもよいが、図示例では同心円状に配置されている。また、マイクロ波放射孔９０の形状は円形に限定されず、例えば長溝のスリット形状等でもよく、また、このスリット形状の放射孔をハの字状に配列させるようにしてもよい。
【００１８】
ここで、各マイクロ波放射孔９０のアンテナ部材７６の半径方向への配置ピッチＨ３は特には限定されないが、例えば管内波長λの略１倍程度である。尚、管内波長とは、遅波材７８の波長短縮効果により短くなされた波長を指す。ここで遅波材７８によりマイクロ波は大きな波長短縮効果を受けているので、マイクロ波放射孔９０の直径Ｈ４及びそのピッチＨ３は従来構造よりもかなり小さく設定されている。
尚、遅波材７８の比誘電率をεとすると管内波長λ１は、λ１＝λ０／ε1/2 （ここでλ０はマイクロ波の真空中の波長）となる。
また、上記遅波材７８は、ここでは主に液体、例えば純水により形成されている。具体的には、この遅波材７８は、樹脂性のチューブ例えばテフロンチューブ等よりなる可撓性のある液体通路９４を図３に示すように同心円状に密接させて多重に平面状に巻回し、且つ上下に２層構造とした液体ジャケット９６よりなり、この液体ジャケット９６の流体入口９６Ａと流体出口９６Ｂとを図２に示すように導波箱８０の外側へ引き出し、必要に応じてこれに純水を流し得るようになっている。この場合、このテフロンチューブの流体通路９４の断面は略矩形状になされており、この流路の縦Ｌ１及び横Ｌ２はそれぞれ２ｍｍ及び１０ｍｍ程度に設定されている。
【００１９】
尚、この場合、液体ジャケット９６として、テフロンチューブを巻回するのではなく、全体を単なる中空の容器として形成してもよい。また、テフロンチューブの巻回の方法も特に限定されず、例えば２つ折りにしたテフロンチューブを中心側より外側に向けて順次巻き重ねるようにしてもよい。
このように、導波箱８０内の平面アンテナ部材７６の上面側に液体ジャケット９６よりなる遅波材７８を設置することにより、この波長短縮効果によりマイクロ波の管内波長を短くすることが可能となる。ちなみに純水の比誘電率は８０程度であり、窒化アルミの８．５程度よりもかなり大きい。この場合、比誘電率が略１２以上であれば、十分に高い波長短縮効果を得られることができる。
【００２０】
次に、以上のように構成された装置を用いて行なわれる処理方法について説明する。
まず、ゲートバルブ６８を介して半導体ウエハＷを搬送アーム（図示せず）により処理容器３２内に収容し、リフタピン（図示せず）を上下動させることによりウエハＷを載置台３４の上面の載置面に載置する。
そして、処理容器３２内を所定のプロセス圧力、例えば０．０１〜数Ｐａの範囲内に維持して、プラズマガス供給ノズル４８から例えばアルゴンガスを流量制御しつつ供給すると共に処理ガス供給ノズル５０から例えばＳｉＨ4 、Ｏ2 、Ｎ2 等のデポジションガスを流量制御しつつ供給する。同時にマイクロ波発生器８８からのマイクロ波を、導波管８６及び同軸導波管８２を介して平面アンテナ部材７６に供給して処理空間Ｓに、遅波材７８によって波長が短くされたマイクロ波を導入し、これによりプラズマを発生させて所定のプラズマ処理、例えばプラズマＣＶＤによる成膜処理を行う。
【００２１】
ここで、マイクロ波発生器８８にて発生した例えば２．４５ＧＨｚのマイクロ波はモード変換後に例えばＴＥＭモードで同軸導波管８２内を伝播して導波箱８０内のアンテナ部材７６に到達し、内部ケーブル８２Ｂの接続された円板状のアンテナ部材７６の中心部から放射状に周辺部に伝播される間に、このアンテナ部材７６に同心円状或いは螺旋状に略均等に多数形成された円形のマイクロ波放射孔９０から絶縁板７２を介してアンテナ部材７６の直下の処理空間Ｓにマイクロ波を導入する。
このマイクロ波により励起されたアルゴンガスがプラズマ化し、この下方に拡散してここで処理ガスを活性化して活性種を作り、この活性種の作用でウエハＷの表面に処理、例えばプラズマＣＶＤ処理が施されることになる。
【００２２】
そして、このプラズマ処理中においては、平面アンテナ部材７６の上部に設けた液体ジャケット９６に、その流体入口９６Ａより純水を供給し、この純水を上下２段に巻回して積層させた流体通路９４内に流通させた後に流体出口９６Ｂから流出させている。
この実質的に遅波材として機能する純水は、マイクロ波に対して波長短縮作用を及ぼし、しかも、ここでは従来よりも比誘電率が遥かに大きい遅波材、例えば純水を用いているので、大きな波長短縮効果を呈することになる。具体的には遅波材として、従来は比誘電率が１０程度の窒化アルミ等が用いられていたが、ここでは比誘電率が８０程度の純水を用いているので、本実施例では波長短縮効果を略３倍程度向上させて、従来装置よりも管内波長を１／３程まで短くすることができる。尚、波長短縮効果は比誘電率の逆数の平方根で表され、例えば比誘電率が８０程度の純水も場合には、マイクロ波の波長は真空中の１／９程度になる。
【００２３】
このように、大きな波長短縮効果が得られることから、図４に示すようにマイクロ波放射孔９０のアンテナ半径方向における配列のピッチＨ３は通常はマイクロ波の管内波長と同じ程度に設定することから、従来の平面アンテナ部材１０（図１６参照）と比較して、１／３程度まで小さくでき、従って、より多くのマイクロ波放射孔９０を密度の高い状態で形成することができる。
また、各マイクロ波放射孔９０の大きさ、例えば直径Ｈ４も波長短縮効果の向上により、更に小さくできるので、この点よりもマイクロ波放射孔９０をより高密度に形成することができる。
このように、マイクロ波放射孔９０をより高密度に形成できる結果、処理室空間Ｓにおけるプラズマ密度の面内均一性をより向上させて、半導体ウエハＷのプラズマ処理の面内均一性を向上させることができる。図５はこの点を模式的に示す図であり、本発明装置と従来装置の平面アンテナ部材の形状とプラズマ密度との関係を模式的に示している。
【００２４】
先に説明したように、平面アンテナ部材にあっては、マイクロ波はプラズマ放射孔よりその直下に多く放射されるので、プラズマ放射孔の直下のプラズマ密度は他の部分と比較して大きくなる。そして、上述のように、本実施例ではプラズマ放射孔の配列ピッチを小さくした結果、その形成密度を大きく設定できるので、図５（Ａ）に示す従来のアンテナ部材１０におけるプラズマ密度のピークとボトムとの差Ｐ１よりも、図５（Ｂ）に示す本実施例のアンテナ部材７６におけるプラズマ密度のピークとボトムとの差Ｐ２を遥かに小さくでき、この結果、上述のように処理空間Ｓにおけるプラズマ密度の面内均一性を向上させることが可能となる。
また、ここでは遅波材として純水を流しているので、これが冷却作用を発揮し、平面アンテナ部材７６等を冷却してこの昇温を防止することもできる。この場合、例えば純水の流量は１リットル／分程度である。
また、この冷却によって、例えば平面アンテナ部材７６等を、例えば８０℃程度に一定となるように維持する。このように冷却により８０℃程度に一定に維持する点は、後述するように絶縁板７２を冷却する場合も同じである。
【００２５】
また、ここでは液体ジャケット９６を２層構造としたが、これに限定されず、単層構造、或いは３層以上の多層構造としてもよい。
また、実質的に遅波材として機能する液体は、純水に限定されず、高い冷媒機能を有するフッ素系不活性液体、例えばフロリナート（商品名）等も用いることができる。
また、従来装置と比較して十分なプラズマ密度の面内均一性の向上を図るためには、遅波材としては比誘電率が２０程度以上の材料を用いればよい。従って、遅波材としては比誘電率が８０程度の純水に限定されず、他の材料、例えば高誘電率セラミックを用いることができる。この高誘電率セラミックとしては、比誘電率が２０程度のタンタル酸化物（Ｔａ2 Ｏ5 ）、比誘電率が３０〜４０程度のジルコニウム酸化物（ＺｒｘＯｙ）やハフニウム酸化物（ＨｆｘＯｙ）等を用いることができる。この場合には、遅波材は液体ではなく固体となる。図６はこのような第１の発明の第２実施例の平面アンテナ部材の近傍を示す部分拡大図であり、図７は固体の遅波材を示す平面図である。尚、図６中においては、図２中と同一構成部材については同一符号を付してその説明を省略する。
【００２６】
ここでは、平面アンテナ部材７６の上部に設ける高誘電率特性を有する遅波材１００は、上述のように固体の高誘電率セラミックを用いている。この遅波材１００は、中心部に中心孔１０２を有する円板状に形成されている。また、この遅波材１００の厚さは、例えば４ｍｍ程度あれば十分に波長短縮効果を発揮することができる。また、この種の高誘電率セラミックは、大きな円板状に一体焼成することは比較的困難なので、図７に示すように、例えば扇状に８分割された大きさの高誘電体セラミックのブロック体１０４を焼成し、これを円板状に組み合わせるようにすればよい。
ただし、このように遅波材１００として固体を用いた場合には、図２に示す純水を用いた第１実施例とは異なり、冷却機能を有していないので、導波箱８０の天井部上面に、従来装置の図１５にて説明したと同様な構造の冷却水流路２０を有する冷却ジャケット２２を設けるようにする。
この第２実施例の場合も、第１実施例と同様な作用効果を示し、先の純水の場合程ではないが、大きなマイクロ波の波長短縮効果を発揮でき、従って、これに対応して平面アンテナ部材７６のマイクロ波放射孔９０の配列の密度を高めることができるので、処理空間Ｓにおけるプラズマ密度の面内均一性を向上させることができる。
【００２７】
次に、第２の発明について説明する。
前述した第１の発明では遅波材を改良することにより、より大きな波長短縮効果を発揮することを目的としているが、第２の発明においては、マイクロ波を透過する絶縁板として誘電損失が比較的小さい材質のものを用い、この時、絶縁板に発生する熱を効率的に冷却するようにする点を目的としている。
図８は本発明のプラズマ処理装置の第２の発明の第１実施例の平面アンテナ部材の近傍を示す部分拡大図、図９は図８中の液体ジャケットを示す斜視図である。尚、図８中では、先に説明した図と同一構成部分については同一符号を付して説明する。また、図８に示されていない部分は、図１において説明したと同様な構成になされている。
【００２８】
この図８に示す第２の発明の第１実施例では、絶縁板１１０としては、誘電損失が大きい従来の窒化アルミ（ＡｌＮ）ではなく、誘電損失が非常に小さい材料（低誘電損失）、例えばアルミナ、窒化シリコン、或いは石英等を用い、これによりマイクロ波を効率的に処理空間Ｓに投入することが可能となる。この場合、この低誘電損失の材料は一般的に、上記窒化アルミよりも熱伝導性が劣るので、誘電損失によって発生した熱が他に逃げにくくなってこの直下に設置されるウエハの熱分布に悪影響を与える恐れが生ずるので、ここでは平面アンテナ部材７６と上記絶縁板１１０との間であって、上記絶縁板１１０の上面に直接的に接するように冷却手段１１２を設け、上記絶縁板１１０を直接的に冷却するようになっている。
尚、この場合、平面アンテナ部材７６上に設ける遅波材は、図１５の従来装置に示した窒化アルミ８を用いてもよいし、先の第１の発明で説明した高誘電率特性を有する遅波材７８、１００を用いてもどちらでもよく、図８においては固体の高誘電率特性を有する遅波材１００を用いた場合を例に示している。
【００２９】
図９に示すように上記冷却手段１１２としては、先に図３に説明したと同様な構造になされている。すなわち、この冷却手段１１２は、樹脂性のチューブ例えばテフロンチューブ等よりなる可撓性のある液体通路１１４を図９に示すように同心円状に密接させて多重に平面状に巻回して１層構造とした液体ジャケット１１６よりなり、この液体ジャケット１１６の流体入口１１６Ａと流体出口１１６Ｂとを図８に示すように導波箱８０の外側へ引き出し、必要に応じてこれに純水を流し得るようになっている。この場合、このテフロンチューブの流体通路１１４の断面は略矩形状になされており、この流路の縦Ｌ１及び横Ｌ２はそれぞれ２ｍｍ及び１０ｍｍ程度に設定されている。また、テフロンチューブの巻回の方法も特に限定されず、例えば２つ折りにしたテフロンチューブを中心側より外側に向けて順次巻き重ねるようにしてもよい。
尚、この場合、液体ジャケット１１６として、テフロンチューブを巻回するのではなく、全体を単なる中空の容器として形成してもよい。この点については後述する。
【００３０】
この場合、液体ジャケット１１６を図２の場合と同様に２層構造としてもよい。また、図８に示すように、マイクロ波の放射性を高めるために、液体ジャケット１１６の上面と平面アンテナ部材７６の下面との間の距離Ｈ５を例えば５ｍｍ程度離間させるようにとってもよいし、或いはこれらを接した状態で設けるようにしてもよい。そして、液体ジャケット１１６の上面と平面アンテナ部材７６の下面とを接した場合には、この１つの液体ジャケット１１６により、平面アンテナ部材７６と絶縁板１１０の双方を冷却することができる。
この実施例の場合には、絶縁板１１０に低誘電損失の材料を用いているので、プラズマ処理時にこの絶縁板１１０をマイクロ波が通過する時に発生する誘電損失を、大幅に抑制することができ、例えばこの絶縁板として窒化アルミを用いた装置では３０％のエネルギー損失があったが、本実施例の場合には１０〜１５％程度のエネルギー損失で済み、従って、マイクロ波の使用効率を大幅に改善することができる。
【００３１】
また、この場合、誘電損失によって絶縁板１１０が発熱することは避けられないが、この上面に接して配置した液体ジャケット１１６よりなる冷却手段１１２に冷媒として、例えば純水やフロリナート等を流すことにより、上記絶縁板１１０を全面に亘って効率的に冷却することができる。
従って、絶縁板１１０の温度上昇に伴って発生する半導体ウエハに対する熱分布の悪影響が半導体ウエハに及ぶことを防止することができる。また、この時の冷媒の流量は、特に限定されるものではないが、冷却効率等を考慮して、例えば１リットル／分程度に設定すればよい。
また、図８に示す第２の発明の第１実施例では、平面アンテナ部材７６の下面と冷却手段１１２の上面との間に距離Ｈ５の間隙を設けたが、この間隙部分に保護板を設けるようにしてもよい。図１０はこのような第２の発明の第２実施例を示す部分拡大図である。図示するように、ここでは平面アンテナ部材７６の下面と冷却手段１１２の上面との間に、厚さが５ｍｍ程度の保護板１２０を介在させている。この保護板１２０の材質は、例えば窒化アルミ、アルミナ等のセラミック板や石英板よりなる。
【００３２】
一般的に、プロセス中にあっては平面アンテナ部材７６に供給されるマイクロ波の電力により、例えばマイクロ波放射孔９０の近傍等に異常放電が発生することは避けられないが、上述のように保護板１２０を設けることにより、この異常放電により液体ジャケット１１６を形成するテフロンチューブ等が焼損することを防止し、これを保護することが可能となる。
また、図８及び図１０に示す第２の発明の第１及び第２実施例では、冷却手段１１２の液体ジャケット１１６は、例えばテフロンチューブ等を巻回することにより形成していたが、これに限定されず、これを薄い容器状に成形してもよい。
図１１はこのような第２の発明の第３実施例を示す部分拡大図である。ここでは冷却手段１１２を構成する液体ジャケット１１６を、例えばテフロン樹脂等により薄い円盤状の中空の容器状に成形しており、その一部に液体入口１１６Ａを形成し、その直径方向の反対側に液体出口１１６Ｂを設けている。この場合にも、図８にて説明したと同様な冷却効果を発揮することができる。
【００３３】
また、図８、図１０及び図１１に示す実施例では、平面アンテナ部材７６と絶縁板１１０との間のみに冷却手段１１２を設けて冷媒を流すようにしたが、これに限定されず、導波箱８０内全体に冷媒を流すようにしてもよい。図１２はこのような第２の発明の第４実施例を示す部分拡大図である。図１２に示すように、ここでは冷却手段１１２として例えばテフロン樹脂により上記導波箱８０の全体を収容し得る程度の大きさの液体容器１２２を形成しており、この液体容器１２２の上部を開放してこの内部に、導波箱８０、平面アンテナ部材７６及び固体の遅波材１００を収容している。
そして、この液体容器１２２の側壁の高い位置に（平面アンテナ部材７６の取り付け位置よりも高い位置に）、この容器側壁及び導波箱８０の側壁を貫通させて液体入口１１６Ａを設け、液体容器１２２の側壁の低い位置に（平面アンテナ部材７６の取り付け位置よりも低い位置に）、この容器側壁及び導波箱８０の側壁を貫通させて液体出口１１６Ｂを設け、これにより、導波箱８０内に導入された冷媒が、平面アンテナ部材７６のマイクロ波放射孔９０を介してその上方より下方へ流れるようになっている。尚、この場合、液体入口１１６Ａと液体出口１１６Ｂの取り付け位置を逆に設定してもよい。
【００３４】
これによれば、平面アンテナ部材７６や固体の遅波材１００も冷媒に浸漬されることから、絶縁板１１０を冷却する機能を発揮するのみならず、平面アンテナ部材７６や固体の遅波材１００自体も、この冷媒で冷却することができる。尚、この実施例において、固体の遅波材１００を取り除いてこの部分も冷媒、例えば純水で満たせば、この純水が第１の発明で説明した液体の遅波材７８（図２参照）として機能することになり、この冷媒に、冷却機能と波長短縮機能を併せて持たせることができる。
また、以上の第２の発明では、主として固体の遅波材１００を併せ持った場合について説明してきたが、これに代えて、液体の遅波材を併せ持たせるようにしてもよい。
【００３５】
図１３はこのような第２の発明の第５実施例を示す部分拡大図である。図１３に示すように、ここでは平面アンテナ部材７６と絶縁板１１０との間に図８にて説明したような冷却手段１１２を介在させると共に、この平面アンテナ部材７６の上部に図２及び図３にて説明したような液体ジャケット９６よりなる遅波材７８を設けている。この場合にも、第１の発明と第２の発明の作用効果を併せて発揮することができる。
尚、本実施例では、半導体ウエハに成膜処理する場合を例にとって説明したが、これに限定されず、プラズマエッチング処理、プラズマアッシング処理等の他のプラズマ処理にも適用することができる。
また、被処理体としても半導体ウエハに限定されず、ガラス基板、ＬＣＤ基板等に対しても適用することができる。
【００３６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のプラズマ処理装置によれば、次のように優れた作用効果を発揮することができる。
請求項１及びこれを引用する請求項に係る発明によれば、高誘電率特性を有する遅波材を用いるようにしたので、マイクロ波に対する波長短縮効果が向上し、このため平面アンテナ部材に設けたマイクロ波放射孔のピッチや大きさを小さくでき、従って、その分、処理空間におけるプラズマ密度の面内均一性を向上させることができる。また、冷却手段により平面アンテナ部材を冷却することができる。
請求項２及びこれを引用する請求項に係る発明によれば、平面アンテナ部材とマイクロ波を透過させる絶縁板との間に、冷却手段を設けるようにして、この絶縁板を効率的に冷却することができるようにしたので、絶縁板として熱伝導率が小さくても誘電損失の小さな材料を用いることが可能となり、マイクロ波の導入効率を向上させることができる。
特に請求項３に係る発明によれば、保護板により冷却手段の構成部分を、平面アンテナ部材にて発生する異常放電から保護することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るプラズマ処理装置の第１の発明の第１実施例を示す構成図である。
【図２】第１の発明の第１実施例の平面アンテナ部材の近傍を示す部分拡大図である。
【図３】冷却手段の一例を示す斜視図である。
【図４】平面アンテナ部材を示す平面図である。
【図５】本発明装置と従来装置の平面アンテナ部材の形状とプラズマ密度との関係を模式的に示す図である。
【図６】第１の発明の第２実施例の平面アンテナ部材の近傍を示す部分拡大図である。
【図７】固体の遅波材を示す平面図である。
【図８】本発明のプラズマ処理装置の第２の発明の第１実施例の平面アンテナ部材の近傍を示す部分拡大図である。
【図９】図８中の液体ジャケットを示す斜視図である。
【図１０】第２の発明の第２実施例を示す部分拡大図である。
【図１１】第２の発明の第３実施例を示す部分拡大図である。
【図１２】第２の発明の第４実施例を示す部分拡大図である。
【図１３】第２の発明の第５実施例を示す部分拡大図である。
【図１４】従来の一般的なプラズマ処理装置を示す構成図である。
【図１５】平面アンテナ部材の部分を示す部分拡大図である。
【図１６】平面アンテナ部材を示す平面図である。
【符号の説明】
３０ プラズマ処理装置
３２ 処理容器
３４ 載置台
４８，５０ ガス供給手段
７２ 絶縁板
７６ 平面アンテナ部材
７８ 高誘電率特性を有する遅波材（液体）
８０ 導波箱
８２ 同軸導波箱
８８ マイクロ波発生器
９０ マイクロ波放射孔
９４ 液体通路
９６ 液体ジャケット
１００ 高誘電率特性を有する遅波材（固体）
１１０ 絶縁板
１１２ 冷却手段
１１４ 液体通路
１１６ 液体通路
１２２ 液体容器
Ｗ 半導体ウエハ（被処理体）
Claims (5)
- 天井部に気密に装着された絶縁板が設けられて内部が真空引き可能になされた処理容器と、
被処理体を載置するために前記処理容器内に設けられた載置台と、
前記絶縁板の上に設けられて所定のピッチで形成された複数のマイクロ波放射孔を有する平面アンテナ部材と、
前記平面アンテナ部材の上部に配置された遅波材と、
前記処理容器内へ所定のガスを導入するガス供給手段とを有するプラズマ処理装置において、
前記遅波材は、比誘電率が１２以上の高誘電率特性を有する材料からなり、前記遅波材は液体であると共に前記液体を、流体通路を多重に平面状に設けた液体ジャケットに流通させることにより形成される冷却手段を兼用していることを特徴とするプラズマ処理装置。 - 内部が真空引き可能になされた処理容器と、
前記処理容器の天井部に気密に配置された絶縁板と、
前記処理容器内に設けられて被処理体を載置するための載置台と、
前記絶縁板の上方に設けられて所定のピッチで形成された複数のマイクロ波放射孔からマイクロ波を前記絶縁板を介して前記処理容器内へ導入する平面アンテナ部材と、
前記処理容器内へ所定のガスを導入するガス供給手段とを有するプラズマ処理装置において、
前記絶縁板は、窒化アルミよりも誘電損失の小さい材料で構成され、
前記平面アンテナ部材と前記絶縁板との間に、流体通路を多重に平面状に設けて液体を流すようにした液体ジャケットよりなる冷却手段を設けるように構成したことを特徴とするプラズマ処理装置。 - 前記平面アンテナ部材の下面と前記冷却手段の上面との間には、保護板が介在されていることを特徴とする請求項２記載のプラズマ処理装置。
- 前記液体は、純水であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。
- 前記絶縁板は、アルミナと窒化シリコンと石英よりなる群より選択される１つよりなることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。
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