JP5001862B2 - マイクロ波プラズマ処理装置 - Google Patents

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Description

本発明は、半導体装置の製造に用いられるマイクロ波プラズマ処理装置に係り、特に、マイクロ波プラズマ処理装置においてマイクロ波透過窓として機能する天板の改良に関する。
プラズマ処理は、プラズマ励起されたラジカル等の活性種により、基板表面を、数百℃程度までの比較的低い基板温度で効率よく酸化、窒化あるいは酸窒化することができる技術である。この技術は、これまでにも様々な半導体装置の製造工程において使われてきたが、特に今日の超微細化半導体装置の製造において、いわゆるhigh-Kゲート絶縁膜の形成、あるいは低誘電率層間絶縁膜の形成に関連して、かつてない重要性を占めるようになっている。
図１Ａは、このような超微細化半導体装置の製造において、酸化処理、窒化処理あるいは酸窒化処理に使われるマイクロ波プラズマ処理装置１０の構成を示す。
図１Ａを参照すると、プラズマ処理装置１０は内部にプロセス空間１１Ａが形成された処理容器１１を含む。処理容器１１のプロセス空間１１Ａ内には、処理される基板Ｗを保持する基板載置台１２が設けられている。処理容器１１内の雰囲気は、基板載置台１２の下部を囲むように形成された空間１１Ｂおよび排気ポート１１Ｃを通して、ＡＰＣ（Automatic Pressure Control）バルブ１１Ｄを介して排気装置１１Ｅにより排気される。
基板載置台１２内にはヒータ１２Ａが設けられている。ヒータ１２Ａは電源１２Ｃから電力供給線１２Ｂを介して給電されて発熱し、基板Ｗを加熱する。
処理容器１１にはゲートバルブ１１Ｇが設けられた基板搬入／搬出口１１ｇが形成されている。基板搬入／搬出口１１ｇを介して基板Ｗが処理容器１１中に搬入され、また搬出される。
処理容器１１の上端には基板Ｗに対応する開口が形成されており、この開口は石英ガラス若しくはセラミック等の誘電体からなる天板１３により気密に塞がれている。天板１３の下方には、ガス入口およびこれに連通する多数のノズル開口を有するガスリング１４が、基板Ｗに対向して設けられている。
天板１３はマイクロ波透過窓として機能する。天板１３の上部には、平面アンテナ等のアンテナが設けられている。平面アンテナとしては、ラジアルラインスロットアンテナを用いることができる。
図１Ａに示されたアンテナ部１５は、複数のスロット１５ａ，１５ｂ（図１Ｂ参照）が形成されたスロットアンテナ１５Ｃと、スロットアンテナ１５Ｃを覆う遅波板１５Ｂとを含んでいる。スロットアンテナ１５Ｃは、処理容器１１の上部の開口を塞ぐ誘電体からなる天板１３を介して設けられている。さらに、遅波板１５Ｂをカバーするように導体カバー１５Ａが配置されている。
アンテナ部１５には、外部導波管１６Ａと内部導波体１６Ｂよりなる同軸導波管１６が接続されている。詳細には、内部導波体１６Ｂが遅波板１５Ｂを貫通して、スロットアンテナ１５Ｃの中央部に接続されている。
同軸導波管１６は、モード変換部１１０Ａを介して矩形断面の導波管１１０Ｂに接続されている。導波管１１０Ｂはマイクロ波源１１２にインピーダンス整合器１１１を介して結合される。マイクロ波源１１２で生成されたマイクロ波は、矩形導波管１１０Ｂおよび同軸導波管１６を介してアンテナ部１５に供給される。
図２（Ａ）〜（Ｃ）は、図１Ａ及び図１Ｂのプラズマ処理装置１０を用いてシリコン基板２１表面にＳｉＯＮ膜を形成する一連の工程を説明する図である。
まず、図２（Ａ）に示すように、シリコン基板２１にＤＨＦ（希フッ酸水溶液）処理が施され、表面の自然酸化膜が除去される。次いで、図２（Ｂ）に示すように、シリコン基板２１がプラズマ処理装置１０の処理容器１１内に導入される。そして、シリコン基板２１に対してＡｒガスおよび酸素ガスを用いて所定のプロセス条件下でマイクロ波プラズマ処理が施され、これにより、シリコン基板２１の表面に厚さが１ｎｍ程度の非常に薄いシリコン酸化膜２２が形成される。
次に、図２（Ｃ）に示すように、処理容器２１内にて、シリコン基板に対してＡｒガスおよび窒素ガスを用いて所定のプロセス条件下でマイクロ波プラズマ処理が施され、これにより、シリコン基板２１の表面のシリコン酸化膜２２が、ＳｉＯＮ膜２２Ｎに変換される。
発明者らは、このような成膜実験を行っていたところ、特に１２Ｐａ（９０ｍＴｏｒｒ)以下のプロセス圧において基板処理を行った場合、処理後の基板表面に、典型的には直径が０．５〜２μmのパーティクルが発生することを確認した。
このような大きなパーティクルは、半導体装置の製造歩留まりを大きく低下させるため、その発生を回避することが必要である。本発明は、このようなパーティクルの発生を防止することを目的としている。
発明者らが、上記のパーティクルの成分分析を行ったところ、これらは主にＳｉと酸素からなり、石英ガラスからなる天板に由来するものであると結論付けられた。そして、発明者らの研究および実験の結果、天板の製造過程において天板表面の粗さを算術平均粗さＲａで０．２μｍ以下とすることにより、上記の問題を解決できるとの結論に至った。なお、広い意味でのパーティクルの発生低減のため、製造過程において石英ガラス製部品の表面状態を適宜制御する技術は、ＪＰ２００４−１２３５０８Ａ，ＪＰ１０−１６３１８０Ａ，ＪＰ２００２−３５６３４６Ａ，ＪＰ２００４−２９６７５３Ａ等に記載されているが、いずれも本発明とは技術的思想を異にしている。
本発明は、上記の知見に基づいて成されたものである。すなわち、本発明の第１の観点によれば、真空引き可能に構成されるとともにその内部に基板を保持する基板載置台が配置された処理容器と、前記処理容器の上部に、前記基板載置台上の基板に対面するように設けられた、石英ガラスからなる天板と、前記天板の上方に設けられたマイクロ波アンテナと、前記処理容器内に処理ガスを供給するガス供給系と、を備えたマイクロ波プラズマ処理装置であって、前記天板は、前記基板に対面する面が、算術平均粗さＲａで０．２μm以下の表面粗さを有するマイクロ波プラズマ処理装置が提供される。
本発明の第２の観点によれば、処理容器内にマイクロ波プラズマを生成するために、前記処理容器内にマイクロ波を照射するためにマイクロ波を透過させるための石英ガラスからなる天板であって、前記天板は、前記処理容器に装着された場合に前記処理容器の内部空間に露出する面が、算術平均粗さＲａで０．２μm以下の表面粗さを有する天板が提供される。
上記の表面粗さは、算術平均粗さＲａにて、好ましくは０．１３μm以下、より好ましくは０．１μm以下である。
上記の表面粗さを達成するための好適な手法として、ファイアポリッシュ、またはメカニカルポリッシュを用いることができる。
従来のマイクロ波プラズマ処理装置の構成を示す概略断面図である。 図１Ａのマイクロ波プラズマ処理装置のラジアルラインスロットアンテナの構成を示す概略平面図である。 （Ａ）〜（Ｃ）は、図１Ａ及び図１Ｂのプラズマ処理装置１０を用いてシリコン基板２１表面にＳｉＯＮ膜を形成する一連の工程を説明する図である。 本発明によるマイクロ波プラズマ処理装置の構成を示す概略断面図である。 （Ａ），（Ｂ）は、マイクロ波プラズマ処理装置における電子密度分布および電子温度分布を示す図である。 （Ａ），（Ｂ）は、マイクロ波プラズマ処理装置におけるプロセス圧力と、イオンエネルギおよび電子密度との関係をそれぞれ示すグラフである。 従来の石英ガラス製天板の製造工程を説明する示すフローチャートである。 （Ａ），（Ｂ）は、図６の工程により製造された石英ガラス製天板の表面粗さを示す面粗度計の出力グラフである。 様々な表面粗さの石英ガラス製の天板を使って行った成膜実験におけるパーティクル発生数の推移を示すグラフである。 （Ａ）〜（Ｃ）は、本発明に基づきメカニカルポリッシュあるいはファイアポリッシュが施された天板の表面粗さを示す面粗度計の出力グラフである。 （Ａ），（Ｂ）は、石英ガラス天板の表面状態を示す光学顕微鏡写真の写しである。 成膜実験において得られた天板の表面粗さとパーティクル発生数の関係を示すグラフである。 成膜実験において得られたパーティクル発生数の推移を示すグラフである。
まず、本発明に基づいて改良された天板が組み込まれたプラズマ処理装置の構成にすいて、図３を参照して説明する。
プラズマ処理装置３００は、上部が開口している円筒形状の処理容器３１０を有している。処理容器３１０は、角形状（例えば四角形）を有するものであってもよい。処理容器３１０は、アルミニウム、ステンレススチール等の金属又は合金からなる導体により形成されている。
処理容器３１０の上部開口を、水平に配置された平板形状の誘電体板３０４すなわち天板が閉塞している。誘電体板３０４は、処理容器３１０側周壁から内側に突出する支持部（図示せず）に取り付けられている。誘電体板３０４は、厚さ１０〜５０ｍｍ好ましくは厚さ２０〜３０ｍｍの石英またはセラミックからなる。前記の図示しない支持部と誘電体板３０４との間は、そこに介在するＯリング等のシール材（図示せず）により気密にシールされている。
誘電体板３０４の上方には、平面アンテナの一態様であるスロットアンテナ３５０が設けられている。スロットアンテナ３５０は、誘電体板３０４と密接していてもよく、離間していてもよい。３００ＭＨｚ〜３０ＧＨｚ、例えば２．４５ＧＨｚのマイクロ波を発生するマイクロ波発生器３５６が設けられている。マイクロ波発生器３５６が発生したマイクロ波は、マイクロ波発生器３５６に接続された矩形導波管３５４を介してマイクロ波モード変換器３５３に導入され、さらにマイクロ波モード変換器３５３に接続された同軸導波管３５２を介してスロットアンテナ３５０に導入される。詳細には、同軸導波管３５２の内部にある導電性材料よりなる内導体３５１がスロットアンテナ３５０の中央部に接続される。スロットアンテナ３５０の上面は、石英等の誘電体からなる遅波板３５５で覆わている。さらに遅波板３５５の上面には、導体からなるカバープレート３５７が配置されている。カバープレート３５７は、マイクロ波をシールドするととともに、平面導波管の機能を有する。カバープレート３５７には冷却ジャケットが設けられており、これにより遅波板３５５、スロットアンテナ３５０及び誘電体板３０４を効率よく冷却することができる。なお、矩形導波管３５４の途中に、インピーダンスのマッチングを行うマッチング回路（図示せず）を設けて、電力効率を向上させることができる。
同軸導波管３５２を介して供給されたマイクロ波は、スロットアンテナ３５０のスロット及びマイクロ波透過窓として機能する誘電体板３０４を介して処理容器３１０内に導入され、これにより処理容器３１０内に高周波の電磁界が形成される。スロットアンテナ３５０は、誘電体板３０４により処理容器３１０の内部空間から隔離されているため、処理容器３１０内で生じるプラズマに曝されることがない。
処理容器３１０の底部には、２つの排気管３７５，３７７が気密に接続されている。なお、２つの排気管３７５，３７７を統合して単一の排気管としても構わない。排気管３７７の底部には、バルブ３４３を介してターボ分子ボンプ３４２が接続されている。バルブ３４３は、例えばバキューム若しくはＡＰＣバルブのような圧力制御バルブから構成される。排気管３７７の下部側面には、処理容器３１０内を粗引きする粗引き排気口３７３が設けられている。粗引き排気口３７３には、バルブ３３９が介設された粗引きライン３４０を介して図示しない真空ポンプが接続されている。ターボ分子ポンプはこの真空ポンプに排気ライン３４１を介して接続されている。
上記の粗引きライン３４０及び前記図示しない真空ポンプにより予備排気し、さらにターボ分子ポンプ３４２により排気することにより、処理容器３１０内を所望の真空度にすることができる。また、処理容器３１０の側壁には、処理容器３１０内に各種の処理ガスを導入するためのガスインジェクタ３０６が設けられている。ガスインジェクタ３０６は、複数のノズル、或いは内周面に均等ピッチでガス穴が形成された環状のガスリングの形態とすることができる。
図示例では、ガスインジェクタ３０６に、Ａｒガス等の希ガスを供給する希ガス源１０１Ａ、窒素ガス源１０１Ｎ、及び酸素ガス源１０１Ｏが、それぞれのＭＦＣ１０３Ａ，１０３Ｎ，１０３Ｏおよびそれぞれのバルブ１０４Ａ，１０４Ｎ，１０４Ｏおよび共通のバルブ１０６を介して接続されている。ガスインジェクタ３０６には、載置台３０８を囲むように配列された多数のガス導入口３０６ａを有しており、その結果、Ａｒガス、窒素ガスおよび酸素ガス或いはこれらの混合ガスを、処理容器３１０内のプロセス空間１１Ａに、均一に導入することができる。
さらに、水素、アンモニア、ＮＯ、Ｎ２Ｏ、Ｈ２Ｏなどの他のガス源を設けることも可能である。
処理容器３１０の内部には、被処理体例えば半導体ウエハ（図示せず）を載置する前記載置台３０８が設けられている。載置台３０８上面には、半導体ウエハの外径より僅かに大きい直径を有する０．５〜１ｍｍ程度の深さの凹部が形成され、半導体ウエハの位置ずれを防止している。なお、半導体ウエハの載置領域の外側に環状のガイドリングを設けてもよい。なお、載置台３０８に静電チャックを設けた場合には、半導体ウエハは静電気力で保持されるので、前記凹部は設けなくてもよい。載置台３０８には複数（図示例では３本）リフタピン３１４が挿通されており、リフタピン３１４は馬蹄形の保持部材３１４Ａに保持されて上下動可能である。
載置台３０８の内部には、発熱抵抗体（図示せず）が埋設されている。発熱抵抗体に電力を印加して載置台３０８を加熱することによりウエハが加熱される。載置台３０８の材質は、ＡｌＮ，Ａｌ２○３等のセラミックである。
載置台３０８内に下部電極を埋設してもよい。この場合、下部電極に、４５０ｋＨｚ〜１３．６５ＭＨｚの高周波バイアスを印加する高周波電源を接続してもよいし、或いは、連続バイアスを印加する直流電源を接続してもよい。
載置台固定部３２４が、載置台支持体３１６等を介して載置台３０８を支持している。載置台固定部３２４は例えばＡｌなどの金属又はその合金で形成され、載置台支持体３１６は例えばＡｌＮ等のセラミックで形成される。載置台３０８と載置台支持体３１６とは一体成型されるか、またはロウ付け等の接合手段により接合されており、両者の接合のために真空シールおよび固定用のネジが不要な構造となっている。載置台支持体３１６の下端部は、例えばＡｌなどの金属又はその合金からなる支持固定部３８１に、Ａｌ等の金属又は合金からなる固定リング３８０を介してネジなどの固定手段によりにより固定され、載置台３０８の上面と誘電体板３０４下面とのギャップの調整が可能である。載置台支持体３１６と支持固定部３８１は、図示しないＯリング等のシール手段により気密にシールされている。支持固定部３８１は、載置台固定部３２４に図示しないＯリング等のシール手段により気密に固定される。支持固定部３８１は、載置台３０８及び載置台支持体３１６のサイズ次第では設けない場合がある。
載置台固定部３２４は、図示しないＯリング等のシール手段を介して、ネジ等の固定手段によって、排気管３７７の側面に気密に取り付けられている。具体的には、載置台固定部３２４の側部が、排気管３７７の内側面に接続されている。載置台固定部３２４の下部は、メンテナンスなどの組立時に、載置台３０８を載置台固定部３２４を介して水平に位置決めする位置決め部材の機能を有する固定部材３８４により支持されている。固定部材３８４は排気管３７７に設けた開口部に連通して、排気管３７７に固定される。固定部材３８４の端部には、載置台固定部３２４が、その下部に設けられた係止部材３２８を介して取り付けられており、載置台３０８を容易に水平にできるようになっている。
固定部材３８４は位置決め部材としても機能する。載置台３０８は、載置台固定部３２４の下部が係止部材３２８を介して固定部材３８４の端部に設けられた係止部に係止されることにより、位置決めされる。図示例では、固定部材３８４の端部上側に係止部として凹部を設け、この凹部に係止部材３２８の下部に形成された凸部が挿入されている。係止部材３２８は、固定部材３８４の係止部にネジ等の固定手段を用いて固定してもよい。また、固定部材３８４の端部に位置決め部材の係止部として孔を設け、この孔に載置台固定部３２４の下部が差込まれるようにしてもよい。
載置台固定部３２４の内部には、排気管３７７の側壁に向けて開口した空間３７１が設けられており、この空間３７１は排気管３７７の側面に設けられた開口部３７１ａを介して大気と連通している。載置台支持体３１６内の空間３９４は、支持固定部３８１内の空間３９２を介して空間３７１と連通して大気に開放されている。
載置台固定部３２４内の空間には、載置台３０８内に埋設された発熱抵抗体（図示せず）へ電力を供給する配線、および載置台３０８の温度を測定制御する熱電対の配線などの内容物が配設されている。このような内容物は、図３では記載を省略している。このような内容物は、載置台支持体３１６内の空間３９４及び載置台固定部３２４の空間３７１を経て、空間３７１の開口部３７１ａからプラズマ処理装置３００の外部へ引き出されている。
載置台固定部３２４下部の内部には冷却水路３８３が埋設され、そこにプラズマ処理装置３００外部から冷却水を導入できるようになっている。冷却水は、熱が載置台３０８から載置台支持体３１６を経て載置台固定部３２４及び支持固定部３８１に伝達されることによって載置台固定部３２４及び支持固定部３８１の温度が上昇することを防止する。
上述の通り、プラズマ処理装置３００においては、載置台３０８は排気管３７７に複数箇所で固定されている。図示例では、載置台３０８は、載置台３０８が取付けられる載置台固定部３２４の側部と底部の２箇所で固定されている。載置台固定部３２４の底部は、係止部材３２８及び固定部材３８４を介して排気管３７７に固定される。載置台固定部３２４の側部は、排気管３７７の内側面に固定されている。つまり、載置台３０８は、２箇所の固定部によって排気管３７７に固定されることにより、処理容器３１０に対して固定されている。メンテナンスを行う際には、載置台３０８、載置台支持体３１６、支持固定部３８１及び載置台固定部３２４が、固定部材３８４の端部に形成された凹部に係止部材３２８の凸部が指し込まれることにより位置決めされるため、載置台３０８を水平に容易に取り付けることができる。
処理容器３１０内には、処理容器３１０内のプロセス空間１１Ａを均一に排気するために、アルミニウムまたはステンレス等の金属からなるバッフルプレート３１０ａが載置台３０８の周囲を囲んで配置されている。バッフルプレート３１０ａの上には、コンタミネーション防止のため、石英等の誘電体からなるバッフルプレート３１０ｄが設けられている。バッフルプレート３１０ａはバッフルプレート支持部材３１０ｂにより、支持されている。処理容器３１０の内壁面上に、当該内壁面を保護するために石英等からなるライナー３１０ｃを設けてもよい。このように、処理容器３１０のプロセス空間１１Ａに面する表面をコンタミネーションを発生しない石英等の部材（３１０ｄ，３１０ｃ）により覆うことにより、プロセス空間１１Ａ内を清浄に維持することができる。
次に、本実施の形態にかかるプラズマ処理装置３００による成膜処理の一例として、ＭＩＳ（Metal Insulator Semiconductor）型半導体装置におけるゲート酸化膜例えばＳｉＯＮ膜を半導体ウエハ上に形成する場合について説明する。ブラズマ処理装置３００において、誘電体板３０４と載置台３０８の距離は、予め所定の値に固定されている。まず、粗引きライン３４０を介して排気を行い処理容器３１０内が所定の真空度に達した後、ゲ一トバルブ３０７を開いてウエハ搬出入口３０５を通して載置台３０８の上方に半導体ウエハを搬入して、それをリフタピン３１４で保持する。搬入される半導体ウエハには、既に希フッ酸溶液（１％ＨＦ）等による洗浄処理が施されており、その表面は清浄なＳｉ面となっている。半導体ウエハが搬入されると、リフタピン３１４を下降させて搬入された半導体ウエハを載置台３０８に載置する。
続いて、ターボポンプ３４２によって処理容器３１０内を例えば１〜１３３．３Ｐａの所定の真空度まで排気する。この真空度を維持した状態で、ガスインジエクタ３０６より、処理ガス（Ａｒガス等のプラズマガス、窒素ガス（窒化処理の場合）及び又は酸素ガス（酸化処理の場合）等の反応ガス）を流量制御しながら均一に処理容器３１０内に導入する。
次に、処理容器３１０内に処理ガスを導入した状態で、マイクロ波発生電源部３５６から、２．４５ＧＨｚの高周波電磁界を供給する。この高周波電磁界は、矩形導波管３５４内を矩形モードで伝播し、モード変換器３５３にて矩形モードから円形モードに変換され、円形モードで円形同軸の導波管３５２を伝播してスロットアンテナ３５０に導入されスロットアンテナ３５０のスロットから放射される。さらに高周波電磁界は、高誘電体板３０４を透過して処理容器３１０内に導入され、処理容器３１０に電界を形成する。この電界により処理ガスが電離し、半導体ウエハの上部の空間に電子温度が０．５〜２ｅＶで密度が１０11〜１０13／ｃｍ3のプラズマが生成され、このプラズマにより半導体ウエハに均一に所定の処理（窒化処理または酸化処理）が施される。
半導体ウエハ上に絶縁膜としてＳｉＯＮ膜を形成する場合は、載置台３０８を加熱してシリコン酸化膜が形成されている半導体ウエハの温度を４００℃に加熱する。その状態で、ガスインジェクタ３０６より処理ガスとして、ＡｒガスおよびＮ２ガスをそれぞれ５００ｓｃｃｍおよび２５ｓｃｃｍの流量で導入する。なお、処理ガスに含まれる希ガスは、上記のＡｒガスに代えてＸｅガスまたはＫｒガスであってもよい。このようにして、Ｓｉ基板上のＳｉＯ2膜の表面を窒化してＳｉＯＮ膜に改質する。なお、半導体ウエハすなわちシリコン基板を直接的に窒化してＳｉＮ膜を形成する場合も、Ａｒガスおよび窒素ガスのプラズマで半導体ウエハを処理すればよい。
このような成膜処理が終了すると、リフタピン３１４が上昇して載置台３０８上の半導体ウエハを持ち上げられ、半導体ウエハはウエハ搬出入口３０５を通って処理容器３０１から搬出される。
図４（Ａ）および図４（Ｂ）は、図３のプラズマ処理装置３００において、処理容器３１０のプロセス空間１１Ａ中に生じるプラズマ中の電子密度分布および電子温度分布をそれぞれ示している。
図４（Ａ）から理解できるように、誘電体板３０４すなわち天板の下面から１００ｍｍ離れた位置（基板表面位置）において１０１１ｃｍ−３オーダーの電子密度のプラズマが形成されている。電子密度は、誘電体板３０４に近づくに従い増大し、誘電体板３０４の直下では２〜４×１０１２ｃｍ−３である。
図４（Ｂ）から理解できるように、プラズマ中の電子温度は、基板表面位置ではほぼ１ｅＶであるが、誘電体板３０４の直下においては１．５〜２ｅＶの高いエネルギのプラズマが形成されている。誘電体３０４から約２０ｍｍ下方の位置における電子密度および電子温度の急減は、プラズマのカットオフ効果によるものである。
図３のマイクロ波プラズマ処理装置３００における処理は、基板に低い電子温度のプラズマが作用することが特徴であるが、その一方で、誘電体板３０４は上記のように大きな電子エネルギによる攻撃を受ける。これが先に説明したパーティクル発生の原因になっているものと考えられる。特にプラズマ処理を低圧力下で行った場合、電子密度だけでなくイオンエネルギも増大し、誘電体板３０４の下面は一層厳しい環境に晒される。このことは、処理容器３１０中に形成されるプラズマのイオンエネルギとプロセス圧力の関係を示す図５（Ａ）、並びに処理容器３１０中に形成されるプラズマの電子温度とプロセス圧力の関係を示す図５（Ｂ）より理解できる。なお、図５（Ａ），（Ｂ）に示すデータは、Ａｒガスおよび窒素ガスの流量をそれぞれ１０００ｓｃｃｍおよび４０ｓｃｃｍとし、出力２ｋＷのマイクロ波によりプラズマを励起した場合に得たものである。低圧力下でのプラズマ処理は、窒化処理等の処理の際に基板から放出された酸素による基板表面の再酸化が抑制できるため、ゲート絶縁膜等に使われる酸化膜換算膜厚（ＥＯＴ）が１ｎｍ前後、あるいはそれ以下の極薄で高品質のＳｉＮ膜あるいはＳｉＯＮ膜の形成において非常に重要である。従って、低圧力下でのプラズマ処理においても損傷しない誘電体板３０４すなわち天板を提供することは非常に有益である。
次に、本発明に基づく石英製の誘電体板３０４すなわち天板について、従来の天板と比較した実験結果を参照し、詳細に説明する。
まず、プラズマ処理装置（１０）で使われている石英ガラス製の天板（１３）は、図６に示すように、
− 石英ガラス板を所定形状に数値制御（ＮＣ）加工する工程Ｓ１；
− ＮＣ加工され石英ガラス板の表面をサンドブラスト処理して所定厚さまで厚さを低減する工程Ｓ２；
− サンドブラスト処理された石英ガラス板の表面にスラリ研磨加工を行う工程Ｓ３；
− スラリ研磨加工した石英ガラス表面にフッ酸処理を行う工程Ｓ４；
− フッ酸処理した石英ガラス板表面に脱脂処理を行う工程Ｓ５；
− 脱脂処理した石英ガラス板表面を純水洗浄する工程Ｓ６；
− 純水洗浄した石英ガラス板表面にフッ酸処理を行う工程Ｓ７；および
− フッ酸処理した石英ガラス板表面を純水洗浄する工程Ｓ８；
を順次行うことにより製造される。
これに対して、本発明に基づく天板（３０４）は、以下のようにして製造される。
［メカニカルポリッシュ（機械研磨）を用いる場合］
上記の工程Ｓ３と工程Ｓ４との間に、酸化カリウム粒子の研磨剤を用いたポリッシュ処理を行い、これにより表面粗さを大幅に改善する。他の工程については図６と実質的に同じでよい。
［ファイヤポリッシュ（火炎研磨）を用いる場合］
上記の工程Ｓ１の後に、フッ酸処理工程、脱脂処理工程、純水洗浄工程（上記の工程Ｓ３，Ｓ４，Ｓ５と同じ）を行い、更に乾燥処理を行う。その後、ファイヤポリッシュ処理を行う。次いで、歪み取りのために１０００℃で１時間アニール処理を行う。その後、上記のフッ酸処理工程、純水洗浄工程を（上記の工程Ｓ７，Ｓ８と同じ）行う。
なお、上記のフッ酸処理は、例えば１〜１０％濃度のフッ酸浴中に１〜５分浸漬することにより行うことができる。
上記の従来製法及び本発明に係る製法により、実際に天板を作成し、成膜実験を行った。以下にその結果を説明する。
図７（Ａ），（Ｂ）は、従来製法により得られた石英ガラス製の天板の、基板Ｗに対面する面の表面粗さ測定結果を示している。図７（Ａ），（Ｂ）に示すように、図６の従来製法で形成された石英ガラス板は、算術平均粗さＲａで０．６〜０．９μｍの範囲の表面粗さを有しており、目視では平滑に見えても、表面には実質的な凹凸が存在している。図７（Ａ）の例では、Ｒａ値は０．８６１μｍであり（試料番号４）、図７（Ｂ）の例では、Ｒａ値は０．６７６μｍ（試料番号５）である。
図９（Ａ）は上記の本発明に係る製法に従いメカニカルポリッシュを行った石英ガラス製の天板３０４（試料番号３）の表面粗さ測定結果（Ｒａ＝０．１３１μｍ）を示している。図９（Ｂ）は、上記の本発明に係る製法に従いファイヤポリッシュを行った石英ガラス製の天板３０４（試料番号２）の表面粗さ測定結果（Ｒａ＝０．０９２μｍ）を示している。図９（Ｃ）は、上記の本発明に係る製法に従いファイヤポリッシュを行った石英ガラス製の天板３０４（試料番号１）の表面粗さ測定結果（Ｒａ＝０．０６９μｍ）を示している。
上記の石英ガラス板をマイクロ波透過天板（３０４）として用いたマイクロ波プラズマ処理装置（３００）を用いて、成膜実験を行った。各基板に対して、図２（Ａ）〜（Ｃ）に示す酸窒化処理を、６．６５Ｐａ（５０ｍＴｏｒｒ）の圧力下でＡｒガスおよび窒素ガスをそれぞれ１０００ｓｃｃｍおよび４０ｓｃｃｍの流量で供給し、出力１５００Ｗのマイクロ波を供給し、２０秒間行った。基板温度は４００℃とした。順次処理される多数の基板から適当に基板をサンプリングし、サンプリングした基板上のパーティクル数をレーザ顕微鏡により計測した。図８は、この場合に、処理後の基板Ｗの表面において観察された直径が０．１６μm以上のパーティクルの数を示すグラフである。なお、現在の一般的なパーティクル発生の許容限度は「直径０．１６μm以上のパーティクル数が２０個以下」であることに注意されたい。
図８のグラフより理解できるように、図６に示す従来製法で製造されたＲａ値が０．８６１μｍ（試料番号４，■で示す）の石英ガラス板、およびＲａ値が０．６７６μｍ（試料番号５，大きな◆で示す）の石英ガラス板を天板３０４として使用した場合には、ウエハの積算処理枚数が増大するにつれてパーティクル数が急激に増大している。
これに対して、上記の本発明に係る製法で製造された天板３０４（試料番号１〜３）においてはパーティクル数が劇的に減少していることがわかる。すなわち、石英ガラス製の天板３０４の基板に対面する面の表面粗さを算術平均表面粗さＲａで０．２μｍ以下に抑制することにより、基板Ｗのプラズマ処理を２６．６Ｐａ（２００ｍＴｏｒｒ）以下の低いプロセス圧力下で行った場合でも、基板Ｗ表面におけるパーティクルの発生を劇的に抑制することが可能であることがわかる。
天板３０４の表面粗さとパーティクル発生量の関係から、石英ガラス天板３０４の表面状態がパーティクル発生に影響を及ぼしていることは明らかである。その理由についての考察を以下に述べる。
図１０（Ａ）は、図６に示す従来製法に基づいて作成された石英ガラス天板３０４の表面状態を示す光学顕微鏡写真の写しである。これより明らかなように、天板３０４の表面には多数のマイクロクラックが存在しており、現在確認はされていないが、これが前記表面粗さを大きくする原因となっている可能性がある。このようなマイクロクラックは、図６の天板製造工程において、ＮＣ加工工程Ｓ１あるいはサンドブラスト工程Ｓ２などにおいて、天板を構成する石英板中に導入されたものであると考えられ、クラックの深さは数百ミクロンまで達しているものと考えられる。
図１０（Ｂ）は、上記の本発明に基づく製法（ファイヤポリッシュを使用）により製造された石英ガラス製の天板３０４の表面状態を示す光学顕微鏡写真の写しである。これより明らかなように、ファイアポリッシュを行うことにより、天板３０４の表面に露出していたマイクロクラックが消滅している。
図１０（Ｂ）に示す表面状態は、図８のグラフ中において△あるいは●で示したデータ（試料番号１，２）に対応している。これらのデータのみから考えると、これらの試料においてパーティクルの発生が抑制された理由は、天板表面におけるマイクロクラックが消滅したことによるものと考えられる。また、表面粗さの減少は、マイクロクラックが消滅したことによるものと考えられる。
しかしながら、図８のグラフ中において小さな◆で示したデータ（試料番号３）に対応する図９（Ａ）の試料にメカニカルポリッシュが施されており、したがって石英ガラス製の天板の表面には、表面粗さＲａが０．１３１μｍであってもマイクロクラックが露出していると考えられる。しかしながら、この場合もパーティクル発生が抑制されていることが図８より明らかなである。従って、パーティクル発生量は表面のマイクロクラックの有無のみに依存しているわけではないものと推測される。
いずれにしても、上記の実験により結論付けられることは、本発明に基づいて石英ガラス製の天板（３０４）の基板Ｗに対面する面の表面粗さを、算術平均表面粗さＲａにして０．２μｍ以下に抑制することにより、プラズマ処理時、特に２６．６Ｐａ（２００ｍＴｏｒｒ）以下の低圧力下でのプラズマ処理時において、パーティクル発生を効果的に抑制することが可能となるということである。
上記の点を理解しやすくするために、図１１を準備した。図１１は、図８のグラフににプロットされたデータの一部（ウエハ積算処理枚数１００〜２００に対応するデータ）を抜き取り、表面粗さとパーティクル数の関係を表示したグラフである。これより、表面粗さＲａを０．２μｍ以下とすることによりパーティクル発生数が激減することが理解できる。また、表面粗さＲａを０．１３μｍ以下とすることによりパーティクル発生が更に減少することが理解できる。
図１２は、上記の本発明に基づく製法（ファイヤポリッシュを使用）により製造された石英ガラス製の天板３０４の耐久試験結果を示すグラフである。ここでは、複数の天板に対して試験を行ったが、試験に供した天板の表面粗さＲａは０．０３μｍ〜０．１μｍの範囲内である。この試験により、表面粗さＲａを０．１μｍ以下とすることにより、天板の長期にわたる耐久性が確保できることが確認された。
以上、本発明を好ましい実施形態に基づいて説明してきたが、本発明はかかる特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載の要旨内において、様々な変形・変更が可能である。例えば、図３の天板３０４内に一点鎖線で示すように、天板３０４の下面に基板よりやや大きな直径の円形の凹部を設けることができる。このような凹部は定在波の抑制に寄与する。なお、前記凹部の底面のみが上記の表面粗さとなっていても構わない。また、基板は、半導体ウエハに限定されず、例えばＬＣＤ基板であってもよい。

Claims (14)

  1. 真空引き可能に構成されるとともにその内部に基板を保持する基板載置台が配置された処理容器と、
    前記処理容器の上部に、前記基板載置台上の基板に対面するように設けられた、石英ガラスからなる天板と、
    前記天板の上方に設けられたアンテナと、
    前記処理容器内に処理ガスを供給するガスインジェクタと、を備えたプラズマ処理装置であって、
    前記天板の前記基板に対面する面にファイアポリッシュが施されており、当該面が算術平均粗さＲａで０．２μm以下の表面粗さを有することを特徴とするプラズマ処理装置。
  2. 前記アンテナはマイクロ波アンテナであることを特徴とする請求項１に記載のプラズマ処理装置。
  3. 前記天板の前記基板に対面する面が、算術平均粗さＲａで０．１３μm以下の表面粗さを有することを特徴とする請求項１または２に記載のプラズマ処理装置。
  4. 前記天板の前記基板に対面する面が、算術平均粗さＲａで０．１μm以下の表面粗さを有することを特徴とする請求項１または２に記載のプラズマ処理装置。
  5. 真空引き可能に構成されるとともにその内部に基板を保持する基板載置台が配置された処理容器と、
    前記処理容器の上部に、前記基板載置台上の基板に対面するように設けられた、石英ガラスからなる天板と、
    前記天板の上方に設けられたアンテナと、
    前記処理容器内に処理ガスを供給するガスインジェクタと、を備えたプラズマ処理装置であって、
    前記天板の前記基板に対面する面に円形の凹部が形成され、前記凹部の底面が算術平均粗さＲａで０．２μm以下の表面粗さを有することを特徴とするプラズマ処理装置。
  6. 前記アンテナはマイクロ波アンテナであることを特徴とする請求項５に記載のプラズマ処理装置。
  7. 前記天板の前記基板に対面する面にファイアポリッシュが施されていることを特徴とする請求項５または６に記載のプラズマ処理装置。
  8. 処理容器内にプラズマを生成するために、前記処理容器内に向けて高周波を透過させるための石英ガラスからなる天板であって、
    前記処理容器に装着された場合に前記処理容器の内部空間に露出する前記天板の面にファイアポリッシュが施されており、当該面が算術平均粗さＲａで０．２μm以下の表面粗さを有することを特徴とする天板。
  9. 前記高周波がマイクロ波であることを特徴とする請求項８に記載の天板。
  10. 前記天板の前記表面粗さが算術平均粗さＲａで０．１３μm以下であることを特徴とする請求項８または９に記載の天板。
  11. 前記天板の前記表面粗さが算術平均粗さＲａで０．１μm以下であることを特徴とする請求項８または９に記載の天板。
  12. 処理容器内にプラズマを生成するために、前記処理容器内に向けて高周波を透過させるための石英ガラスからなる天板であって、
    前記処理容器に装着された場合に前記処理容器の内部空間に露出する前記天板の面に円形の凹部が形成され、前記凹部の底面が算術平均粗さＲａで０．２μm以下の表面粗さを有することを特徴とする天板。
  13. 前記高周波がマイクロ波であることを特徴とする請求項１２に記載の天板。
  14. 前記処理容器に装着された場合に前記処理容器の内部空間に露出する前記天板の面にファイアポリッシュが施されていることを特徴とする請求項１２または１３に記載の天板。
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