JP6296787B2 - 基板処理装置及び基板処理方法 - Google Patents

Description

本発明は、マイクロ波を処理容器内へ導入して基板に対して処理を行う基板処理装置及び基板処理方法に関する。

半導体ウエハなどの基板に対してマイクロ波を利用して処理を行う基板処理装置として、マイクロ波によってガスのプラズマを生成させ、該プラズマによって基板に対して成膜処理、エッチング処理などのプラズマ処理を行うものが知られている。

また、マイクロ波を利用する基板処理装置として、マイクロ波を直接基板に照射してアニール処理を行うものも提案されている（例えば、特許文献１、２）。マイクロ波によるアニール処理は、内部加熱、局所加熱、選択加熱が可能であることから、従来のランプ加熱方式や抵抗加熱方式のアニール装置に比べてプロセスメリットが大きいことが知られている。

特開２００７−２５８２８６号公報（図１など） 特開２０１１−７７０６５号公報（図１など）

処理容器内に導入したマイクロ波によって、基板に対してプラズマ処理を行う場合、安定したプラズマを生成させるために、処理容器内を真空、例えば１０〜１０００Ｐａ程度の圧力まで減圧する必要がある。一方、基板に対してアニール処理を行う場合は、基板に照射するマイクロ波により異常放電が発生したり、プラズマ化することがないように、大気圧付近で行うことが有利である。このように、マイクロ波を利用する処理であっても、プラズマ処理とアニール処理では、処理圧力が大きく相違するため、両方の処理を行うことが可能な基板処理装置は実用化されていない。

本発明の目的は、基板に対してマイクロ波を利用するプラズマ処理とマイクロ波照射による加熱処理の両方を行うことが可能な基板処理装置及び基板処理方法を提供することである。

本発明の基板処理装置は、基板を収容する処理容器と、マイクロ波を透過させるマイクロ波透過性材料によって構成され、前記処理容器内で前記基板を支持する支持部材と、プラズマを生成させるガスを前記処理容器内に導入するガス供給装置と、マイクロ波を生成するマイクロ波源を有し、前記処理容器内に前記マイクロ波を導入するマイクロ波導入装置と、を備えている。本発明の基板処理装置は、前記支持部材を透過した前記マイクロ波によって、前記支持部材に支持された前記基板を加熱するとともに、前記処理容器内で前記プラズマを生成させて前記基板に対してプラズマ処理を行うように構成されている。

本発明の基板処理装置は、前記支持部材を透過して前記基板に照射された前記マイクロ波のうち、前記基板を透過した前記マイクロ波によって前記プラズマを生成させるものであってもよい。

本発明の基板処理装置において、前記処理容器は、真空引き可能に構成され、前記基板に対してプラズマ処理を行う第１の部屋と、前記マイクロ波導入装置が接続されて前記マイクロ波が直接導入される第２の部屋と、を有していてもよい。この場合、前記支持部材によって前記第１の部屋と前記第２の部屋とが区画されていてもよい。

本発明の基板処理装置は、前記処理容器が、天井部と、底壁部と、これら天井部及び底壁部を接続する側壁部と、を備えていてもよい。この場合、前記天井部には、前記ガス供給装置に接続されて前記ガスを前記処理容器内に導入するガス導入部が設けられていてもよい。また、前記底壁部には、前記マイクロ波導入装置に接続されて前記マイクロ波を前記処理容器内に導入するマイクロ波導入部が設けられていてもよい。

本発明の基板処理装置において、前記支持部材には、前記基板の温度調節を行うための熱媒体を通流させる流路が設けられていてもよい。この場合、前記熱媒体が、フッ素系溶媒であってもよい。

本発明の基板処理装置は、前記マイクロ波透過性材料が、石英であってもよい。

本発明の基板処理方法は、基板を収容する処理容器と、マイクロ波を透過させるマイクロ波透過性材料によって構成され、前記処理容器内で前記基板を支持する支持部材と、プラズマを生成させるガスを前記処理容器内に導入するガス供給装置と、マイクロ波を生成するマイクロ波源を有し、前記処理容器内に前記マイクロ波を導入するマイクロ波導入装置と、を備えた基板処理装置を用いる。

本発明の基板処理方法の好ましい側面では、前記支持部材を透過した前記マイクロ波によって、前記支持部材に支持された前記基板を加熱すると同時に、前記処理容器内で前記プラズマを生成させて前記基板に対してプラズマ処理を行う。

本発明の基板処理方法の別の好ましい側面では、前記支持部材を透過した前記マイクロ波によって、前記支持部材に支持された前記基板を加熱するステップと、前記支持部材を透過した前記マイクロ波によって、前記支持部材に支持された前記基板を加熱すると同時に、前記処理容器内で前記プラズマを生成させて前記基板に対してプラズマ処理を行うステップと、を含むことができる。

本発明の基板処理装置及び基板処理方法によれば、基板に対してマイクロ波を利用するプラズマ処理とマイクロ波照射による加熱処理を行うことができる。

本発明の一実施の形態に係る基板処理装置の概略の構成を示す断面図である。 図１に示した基板処理装置のマイクロ波導入装置の概略の構成を示す説明図である。 図１に示した基板処理装置の高電圧電源部の概略の構成を示す説明図である。 図１に示した処理容器の底壁部の上面を示す平面図である。 制御部の構成を示すブロック図である。 基板処理装置において、マイクロ波によるアニール処理とプラズマ処理を同時に実施している状態を模式的に示す図面である。 基板処理装置において、マイクロ波によるアニール処理だけを実施している状態を模式的に示す図面である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
まず、図１を参照して、本発明の一実施の形態に係る基板処理装置について説明する。図１は、基板処理装置１の概略の構成を示す断面図である。図２は、基板処理装置１におけるマイクロ波導入装置３の概略の構成を示す説明図である。図３は、マイクロ波導入装置３の高電圧電源部の概略の構成を示す説明図である。図４は、図１に示した処理容器２の底壁部１３の上面を示す平面図である。基板処理装置１は、連続する複数の動作を伴って、例えば半導体デバイス製造用の半導体ウエハ（以下、単に「ウエハ」と記す。）Ｗに対して、プラズマ処理と、マイクロ波照射によるアニール処理の両方を施すことが可能に構成されている。ここで、平板状をなすウエハＷにおいて、面積の広い上下の面のうち、上面が半導体デバイスの形成面であり、この面を処理対象となる主面とする。

基板処理装置１は、被処理体であるウエハＷを収容する処理容器２と、処理容器２内にマイクロ波を導入するマイクロ波導入装置３と、処理容器２内においてウエハＷを支持する支持部材としての載置台４と、処理容器２内にガスを供給するガス供給機構５と、処理容器２内を減圧排気する排気装置６と、これら基板処理装置１の各構成部を制御する制御部８とを備えている。

＜処理容器＞
処理容器２は、金属材料によって形成されている。処理容器２を形成する材料としては、例えば、アルミニウム、アルミニウム合金、ステンレス等が用いられる。処理容器２内には、真空引き可能に構成され、ウエハＷに対してプラズマ処理を行う第１の部屋としてのプラズマ処理空間Ｓ１と、マイクロ波導入装置３が接続されてマイクロ波が直接導入される第２の部屋としてのマイクロ波導入空間Ｓ２とが設けられている。

処理容器２は、上壁としての天井部１１および底壁としての底壁部１３と、天井部１１と底壁部１３とを連結する側壁としての４つの側壁部１２と、を有している。側壁部１２には、搬入出口１２ａと、排気口１２ｂとが設けられている。搬入出口１２ａは、処理容器２に隣接する図示しない搬送室との間でウエハＷの搬入出を行うためものである。処理容器２と図示しない搬送室との間には、ゲートバルブＧＶが設けられている。ゲートバルブＧＶは、搬入出口１２ａを開閉する機能を有し、閉状態で処理容器２のプラズマ処理空間Ｓ１を気密にシールすると共に、開状態で処理容器２のプラズマ処理空間Ｓ１と図示しない搬送室との間でウエハＷの移送を可能にする。また、底壁部１３には、処理容器２内にマイクロ波を導入するマイクロ波導入部として、上下に貫通する複数のマイクロ波導入ポート１０が形成されている。各マイクロ波導入ポート１０は、長辺と短辺とを有する平面視矩形をなしている。各マイクロ波導入ポート１０の大きさや、長辺と短辺の比は、マイクロ波導入ポート１０毎に異なっていてもよい。もっとも、ウエハＷに対するアニール処理及びプラズマ処理の均一性を高めるとともに、制御性をよくする観点から、複数のマイクロ波導入ポート１０のすべてが同じ大きさ及び形状であることが好ましい。

＜支持部材＞
ウエハＷを支持する支持部材としての載置台４は、処理容器２の底壁部１３にスペーサー１４を介して配置されている。載置台４は、マイクロ波を吸収しにくく、マイクロ波を透過させやすいマイクロ波透過性材料によって構成されている。つまり、載置台４は、誘電加熱による温度上昇が小さい材質で形成されている。マイクロ波透過性材料としては、例えば石英や、アルミナなどのセラミックス、合成樹脂などの誘電体を挙げることができる。これらの誘電体の中でも、耐熱性を有し、マイクロ波を透過させやすい石英を用いることが最も好ましい。

誘電加熱による温度上昇は、物質の比誘電率と誘電損失角との積に比例する。この積が０．００５より小さい材料、より好ましくは０．００１以下の材料を用いれば、載置台４の発熱を抑えることができると考えられる。本実施の形態における載置台４は、その積が０．００５より小さい材質として、例えば石英を用いて形成されている。そのため、載置台４は、ウエハＷに対して放射されるマイクロ波の大半を透過する。その結果、載置台４そのものが発熱したり、載置台４でマイクロ波が反射して、ウエハＷ近傍の領域で電界分布の均一性が乱れたりすることを抑制できる。また、載置台４は、ウエハＷが加熱処理される際の温度に耐えうる必要がある。ウエハＷの加熱温度は、その用途により概ね２００℃〜８５０℃程度であるので、載置台４は、石英のように耐熱温度が９００℃以上の材料で形成されることが好ましい。

また、石英以外に比誘電率と誘電損失角との積が０．００５より小さくなる材料としては、例えばポリテトラフルオロエチレンやポリスチレンなどが挙げられる。ポリテトラフルオロエチレンやポリスチレンは、耐熱温度が２００℃程度と石英と比較して低いため、２００℃程度までの比較的低温でウエハＷの加熱処理を行う場合に、載置台４の材料として好ましく使用できる。

載置台４の上面には、ウエハＷを載置する載置面４ａが形成されている。載置面４ａは、載置台４の表面のうち、プラズマ処理空間Ｓ１に直接臨む部分でもある。本実施の形態の基板処理装置１では、載置面４ａの大きさ（面積）及び形状は、ウエハＷの大きさ（面積）及び形状と略同じになるように構成されている。従って、載置台４を透過したマイクロ波を、載置面４ａの全体から、ウエハＷの全体に均等に照射することができる。さらに、載置台４を透過したマイクロ波を、ウエハＷの全体から、ウエハＷの上部のプラズマ処理空間Ｓ１に放射させることができる。従って、ウエハＷの面内での加熱温度の均一化を図ることができるとともに、ウエハＷの上方のプラズマ処理空間Ｓ１において、均一な分布でプラズマを生成させることができる。

スペーサー１４は、処理容器２の底壁部１３の上面と載置台４の下面との間にマイクロ波導入空間Ｓ２を形成するために設けられている。スペーサー１４としては、耐熱性を有する合成樹脂を用いることが好ましく、例えばポリテトラフルオロエチレン、ポリイミドなどの合成樹脂フィルムを用いることがより好ましい。

なお、図示は省略するが、ウエハＷと載置台４との間の密着性を高めるため、ウエハＷを載置台４の載置面４ａに押し付けるクランプ機構を設けることが好ましい。ウエハＷの裏面と載置台４との間に隙間が生じると、その隙間で異常放電が生じたり、隙間の有無によってマイクロ波の位相が変化し、ウエハＷの面内に温度分布が生じたりする可能性がある。クランプ機構を設けることにより、ウエハＷを載置台４に密着させ、異常放電の発生やウエハＷの面内温度差を解消することができる。クランプ機構としては既知の構成のものを利用できる。

載置台４の内部には、載置台４上に載置されたウエハＷの温度調節を行うための熱媒体を通流させる流路１５が設けられている。流路１５は、底壁部１３を貫通して設けられている導入管１６ａ及び導出管１６ｂに接続されており、これら導入管１６ａ及び導出管１６ｂは、循環装置１７に接続されている。循環装置１７は、図示は省略するが、熱媒体を循環させるためのポンプ、熱媒体を加熱もしくは冷却する熱交換器などを備えている。循環装置１７から導入管１６ａを介して載置台４の流路１５に温度調節された熱媒体を導入し、導出管１６ｂから排出して循環装置１７へ還流させることによって、載置台４上に載置されたウエハＷを冷却もしくは加熱することができる。

流路１５は、例えば、載置台４の内部を切削することにより形成されている。この場合、載置台４は、複数の部材（例えば石英板）を接合することによって形成してもよい。なお、流路１５は必ずしも切削により形成する必要はなく、どのように形成するかは任意に選択が可能である。また、流路１５の配置については、ウエハＷの全面を効率的に加熱または冷却できるものであればよく、例えば平面視において渦巻状となるような配置や、載置台４の内部で折り返すような配置など、任意の配置とすることができる。

熱媒体としては、電気的極性を有さない液体が好ましく用いられる。電気的極性を有さない液体は、マイクロ波を吸収しないため、マイクロ波の誘電加熱による温度上昇を最低限に抑えることができる。電気的極性を有さない液体の一例としては、例えばフッ素有機系の液体としてパーフルオロポリエーテル（ＰＦＰＥ）などが挙げられる。このように電気的極性を有さない液体を熱媒体として利用することによって、載置台４を透過するマイクロ波による影響を受けにくくなる。例えば、載置台４にマイクロ波を透過させながら、熱媒体によってウエハＷの冷却を行う場合でも、流路１５内の電気的極性を有さない熱媒体はマイクロ波によって殆ど加熱されることがない。従って、熱媒体と載置台４との熱交換が支配的となり、安定して効率良くウエハＷを冷却できる。

＜昇降支持装置＞
昇降支持装置１８は、ウエハＷを支持しつつ、その高さ位置を変化させる高さ変位機構を構成している。昇降支持装置１８は、載置台４へのウエハＷの載置、及び、図示しない搬送装置との間でウエハＷを受け渡す際に使用される。昇降支持装置１８は、底壁部１３を貫通して設けられた開口１３ａ及び側壁部１２の挿通孔１２ｃに挿通されたシャフト１９と、シャフト１９の上端に連結された支持アーム２０と、シャフト１９を介して支持アーム２０を上下に昇降させる昇降駆動部２１とを備えている。シャフト１９の下部は開口１３ａを介して処理容器２の外部に突出している。また、昇降駆動部２１は、処理容器２の外部に配置されている。開口１３ａの周囲には、例えばベローズなどの真空保持部材２２が設けられている。真空保持部材２２によって、開口１３ａ、挿通孔１２ｃ及びプラズマ処理空間Ｓ１の気密性が保たれ、真空状態が保持される。

支持アーム２０は、基部２０ａと基部２０ａから水平方向に延在する環状部２０ｂとを有している。基部２０ａはシャフト１９に連結されている。環状部２０ｂは、円形のウエハＷの外縁に沿った形状をなし、ウエハＷの裏面のエッジ部に当接してウエハＷを支持する。支持アーム２０は、昇降駆動部２１を駆動させることによって、シャフト１９とともに、上下方向に昇降変位するように構成されている。支持アーム２０は、マイクロ波が透過しやすくなるように、例えば、石英、セラミックス等の誘電体材料によって形成されている。昇降駆動部２１は、シャフト１９を昇降変位させ得るものであれば、特に制限はなく、例えば図示しないボールねじ等を備えていてもよい。なお、ウエハＷの高さ位置を変化させる変位機構は、その目的を実現できれば、図１とは異なる構成であってもよい。

＜ガス導入機構＞
基板処理装置１は、更に、処理容器２内にガスを供給するガス供給機構５を備えている。ガス供給機構５は、図示しない複数のガス供給源を備えたガス供給装置５ａと、ガス供給装置５ａに接続され、処理容器２内にガスを導入する複数の配管２３（１本のみ図示）と、を備えている。複数のガス供給源は、異なる種類のガスを貯留しており、複数の配管２３は、各ガス供給源から、それぞれ処理容器２の天井部１１に接続されている。

天井部１１には、処理容器１内にガスを導入するガス導入部としてのシャワーヘッド２４が設けられている。シャワーヘッド２４は、プラズマ処理空間Ｓ１に臨むように、載置台４の上方に設けられている。シャワーヘッド２４の下面は、載置台４の上面（載置面４ａ）と平行に対向して配置されている。シャワーヘッド２４の下面には、複数のガス噴射孔２４ａが形成されている。また、シャワーヘッド２４内には、配管２３に連通し、ガスを拡散させるガス拡散空間２４ｂが設けられている。各配管２３は、一端側がガス供給装置５ａに接続され、他端側がシャワーヘッド２４に接続されている。各配管２３から、シャワーヘッド２４内のガス拡散空間２４ｂに導入されたガスは、複数のガス噴射孔２４ａを介してシャワーヘッド２４の下方のプラズマ処理空間Ｓ１へ供給される。

ガス供給装置５ａは、複数の配管２３及びシャワーヘッド２４を介して、例えば、成膜ガス、エッチングガス、プラズマ生成用の希ガスなど、プラズマ処理の目的に応じて適切なガス種を選択し、処理容器２内へ供給できるように構成されている。図示しないが、基板処理装置１は、更に、配管２３の途中に設けられたマスフローコントローラおよび開閉バルブを備えている。処理容器２内に供給されるガスの種類や、これらのガスの流量等は、マスフローコントローラおよび開閉バルブによって制御される。

なお、ガス供給装置５ａの代りに、基板処理装置１の構成には含まれない外部のガス供給装置を使用してもよい。また、ガスを導入するガス導入部は、天井部１１以外の位置、例えば側壁部１２などに設けてもよい。

＜排気機構＞
排気装置６は、例えば、ドライポンプ、ターボ分子ポンプ等の真空ポンプを有している。基板処理装置１は、更に、側壁部１２に形成された排気口１２ｂと排気装置６とを接続する排気管２５、及び、排気管２５の途中に設けられた圧力調整バルブ２６を備えている。排気装置６は、排気管２５及び排気口１２ｂを介して処理容器２内のプラズマ処理空間Ｓ１に接続されている。従って、排気装置６の真空ポンプを作動させることにより、プラズマ処理空間Ｓ１が所定の圧力まで減圧排気される。

＜温度計測部＞
基板処理装置１は、図示を省略するが、更に、ウエハＷの表面温度を測定する複数の放射温度計と、複数の放射温度計に接続された温度計測部とを備えている。

＜マイクロ波導入装置＞
次に、図１〜図４を参照して、マイクロ波導入装置３の構成について説明する。前述のように、マイクロ波導入装置３は、処理容器２の下方に設けられ、処理容器２内に電磁波（マイクロ波）を導入するマイクロ波導入手段として機能する。図１に示したように、マイクロ波導入装置３は、マイクロ波を処理容器２に導入する複数のマイクロ波ユニット（ＭＷ）３０と、複数のマイクロ波ユニット（ＭＷ）３０に接続された高電圧電源部４０とを備えている。

（マイクロ波ユニット）
本実施の形態では、複数のマイクロ波ユニット（ＭＷ）３０の構成は全て同一である。図２では、２つのマイクロ波ユニット（ＭＷ）３０の詳細を図示している。各マイクロ波ユニット（ＭＷ）３０は、ウエハＷを処理するためのマイクロ波を生成するマグネトロン３１と、マグネトロン３１において生成されたマイクロ波を処理容器２に伝送する伝送路としての導波管３２と、を有している。マグネトロン３１は、本発明におけるマイクロ波源に対応する。マイクロ波ユニット（ＭＷ）３０は、更に、導波管３２の途中に設けられたサーキュレータ３４、検出器３５およびチューナ３６と、サーキュレータ３４に接続されたダミーロード３７とを有している。サーキュレータ３４、検出器３５およびチューナ３６は、導波管３２のマグネトロン３１との接続端側からこの順に設けられている。

図４に示したように、本実施の形態では、処理容器２は、底壁部１３において周方向に等間隔に配置された４つのマイクロ波導入ポート１０を有している。本実施の形態では、各マイクロ波導入ポート１０にそれぞれマイクロ波ユニット（ＭＷ）３０が接続されている。つまり、マイクロ波ユニット（ＭＷ）３０の数は４つである。

マグネトロン３１は、高電圧電源部４０によって供給される高電圧が印加される陽極および陰極（いずれも図示省略）を有している。また、マグネトロン３１としては、種々の周波数のマイクロ波を発振することができるものを用いることができる。マグネトロン３１によって生成されるマイクロ波は、例えばＩＳＭ（Industry-Science-Medical）バンドの中から、被処理体の処理毎に最適な周波数を選択できる。マイクロ波の周波数は、例えば９１５ＭＨｚ、２．４５ＧＨｚ、５．８ＧＨｚ、２４ＧＨｚ等が好ましく、５．８ＧＨｚが特に好ましい。

導波管３２は、断面が矩形且つ角筒状の形状を有し、処理容器２の底壁部１３の下面から下方に延びている。導波管３２の上端部は、マイクロ波導入ポート１０に接続されている。導波管３２の他端側には、マグネトロン３１が接続されている。マグネトロン３１において生成されたマイクロ波は、導波管３２を介して処理容器２内に導入される。

サーキュレータ３４およびダミーロード３７は、処理容器２からの反射波を分離するアイソレータを構成する。すなわち、サーキュレータ３４は、処理容器２からの反射波をダミーロード３７に導き、ダミーロード３７は、サーキュレータ３４によって導かれた反射波を熱に変換する。

検出器３５は、導波管３２における処理容器２からの反射波を検出するためのものである。検出器３５は、例えばインピーダンスモニタ、具体的には、導波管３２における定在波の電界を検出する定在波モニタによって構成されている。定在波モニタは、例えば、導波管３２の内部空間に突出する３本のピンによって構成することができる。定在波モニタによって定在波の電界の場所、位相および強さを検出することにより、処理容器２側からの反射波を検出することができる。また、検出器３５は、進行波と反射波を検出することが可能な方向性結合器によって構成されていてもよい。

チューナ３６は、マグネトロン３１と処理容器２との間のインピーダンスのマッチング（以下、単に「マッチング」と記すことがある）を行う機能を有している。チューナ３６によるマッチングは、検出器３５における反射波の検出結果に基づいて行われる。チューナ３６は、例えば、導波管３２の内部空間に出し入れすることができるように設けられた導体板（図示省略）によって構成することができる。この場合、導体板の、導波管３２の内部空間への突出量を制御することにより、反射波の電力量を調整して、マグネトロン３１と処理容器２との間のインピーダンスを調整することができる。

（高電圧電源部）
高電圧電源部４０は、マグネトロン３１に対してマイクロ波を生成するための高電圧を供給する。図３に示したように、高電圧電源部４０は、商用電源に接続されたＡＣ−ＤＣ変換回路４１と、ＡＣ−ＤＣ変換回路４１に接続されたスイッチング回路４２と、スイッチング回路４２の動作を制御するスイッチングコントローラ４３と、スイッチング回路４２に接続された昇圧トランス４４と、昇圧トランス４４に接続された整流回路４５とを有している。マグネトロン３１は、整流回路４５を介して昇圧トランス４４に接続されている。

ＡＣ−ＤＣ変換回路４１は、商用電源からの交流（例えば、三相２００Ｖの交流）を整流して所定の波形の直流に変換する回路である。スイッチング回路４２は、ＡＣ−ＤＣ変換回路４１によって変換された直流のオン・オフを制御する回路である。スイッチング回路４２では、スイッチングコントローラ４３によってフェーズシフト型のＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御またはＰＡＭ（Pulse Amplitude Modulation）制御が行われて、パルス状の電圧波形が生成される。昇圧トランス４４は、スイッチング回路４２から出力された電圧波形を所定の大きさに昇圧するものである。整流回路４５は、昇圧トランス４４によって昇圧された電圧を整流してマグネトロン３１に供給する回路である。

＜プラズマ処理空間及びマイクロ波導入空間＞
上記のとおり、本実施の形態の基板処理装置１では、処理容器２内において、天井部１１、４つの側壁部１２及び載置台４で区画される空間がプラズマ処理空間Ｓ１を形成している。プラズマ処理空間Ｓ１には、ガス供給機構５が接続されてプラズマ処理用のガスが導入される。また、プラズマ処理空間Ｓ１には排気装置６が接続されており、所定の圧力まで真空引きすることが可能に構成されている。一方、本実施の形態の基板処理装置１では、処理容器２内において、底壁部１３、４つの側壁部１２及び載置台４で区画される空間がマイクロ波導入空間Ｓ２を形成している。このマイクロ波導入空間Ｓ２には、底壁部１３に設けられた複数のマイクロ波導入ポート１０を介してマイクロ波導入装置３が接続されている。マイクロ波導入空間Ｓ２には、各マイクロ波導入ポート１０からマイクロ波が導入される。

プラズマ処理空間Ｓ１とマイクロ波導入空間Ｓ２との間には、載置台４が介在し、二つの空間を隔てている。つまり、載置台４は、プラズマ処理空間Ｓ１とマイクロ波導入空間Ｓ２とを区別する隔壁の役割を果たしている。載置台４と側壁部１２との間には、シール部材としてのＯリング５０が配備されている。Ｏリング５０によって、プラズマ生成時に真空引きされるプラズマ処理空間Ｓ１と大気側のマイクロ波導入空間Ｓ２との気密性が確保される。また、Ｏリング５０の配設部位には、載置台４と側壁部１２とが直接接触することを避けるため、樹脂シート５１が配備されている。樹脂シート５１としては、耐熱性を有する合成樹脂を用いることが好ましく、例えばポリテトラフルオロエチレン、ポリイミドなどの合成樹脂フィルムを用いることがより好ましい。なお、上記Ｏリング５０の配設部位を除き、載置台４の側部と側壁部１２との間は、接触を避けるため、隙間を空けておくことが好ましい。このような隙間を設けることによって、載置台４の側部と側壁部１２との境界部分での放電（プラズマ発生）を抑制できる。

一般的なプラズマ処理装置において、処理容器内でプラズマを生成させている状態では、処理容器内に導入されたマイクロ波は、通常、大部分がプラズマによって消費されてしまうため、ウエハＷの加熱には殆ど利用されない。しかし、本実施の形態の基板処理装置１では、処理容器２内のマイクロ波導入空間Ｓ２に導入され、載置台４を透過したマイクロ波を、まずウエハＷに照射させることができる。つまり、基板処理装置１では、プラズマ処理空間Ｓ１とマイクロ波導入空間Ｓ２との間の隔壁であり、かつ、ウエハＷを支持する載置台４を、マイクロ波透過窓としても機能させている。従って、マイクロ波透過窓（載置台４）を透過したマイクロ波は、プラズマ処理空間Ｓ１に到達してプラズマに消費される前に、優先的にウエハＷの加熱に利用される。そして、プラズマ処理空間Ｓ１では、載置台４を透過し、かつ、ウエハＷを透過したマイクロ波によって、プラズマが形成され、このプラズマを利用してウエハＷに対するプラズマ処理を行うことができる。

本実施の基板処理装置１では、プラズマ処理空間Ｓ１に臨む載置台４の上面の面積を、ウエハＷの面積よりも有意に大きく、例えば、ウエハＷの面積の１．５倍〜３倍程度になるように形成しておくこともできる。この場合、載置台４のウエハＷが存在しない領域では、載置台４を透過したマイクロ波が、直接、プラズマ処理空間Ｓ１に放射される。このように、載置台４を透過したマイクロ波のうち、一定比率のマイクロ波をウエハＷに照射させず、直接プラズマ処理空間Ｓ１に到達させることによって、多くのマイクロ波をプラズマ処理空間Ｓ１に供給することが可能になる。つまり、この方法では、同じマイクロ波出力であっても、プラズマ処理空間Ｓ１に到達するマイクロ波の比率を増加させることができる。従って、この方法は、基板処理装置１において、プラズマ生成に多くのマイクロ波の供給を必要とする種類のプラズマ処理を実施する場合に有効である。

＜制御部＞
基板処理装置１の各構成部は、それぞれ制御部８に接続されて、制御部８によって制御される。制御部８は、典型的にはコンピュータである。図５は、図１に示した制御部８の構成を示す説明図である。図５に示した例では、制御部８は、ＣＰＵを備えたプロセスコントローラ８１と、このプロセスコントローラ８１に接続されたユーザーインターフェース８２および記憶部８３とを備えている。

プロセスコントローラ８１は、基板処理装置１において、例えば圧力、ガス流量、マイクロ波出力等のプロセス条件に関係する各構成部（例えば、マイクロ波導入装置３、ガス供給装置５ａ、排気装置６、昇降支持装置１８等）を統括して制御する制御手段である。

ユーザーインターフェース８２は、工程管理者が基板処理装置１を管理するためにコマンドの入力操作等を行うキーボードやタッチパネル、基板処理装置１の稼働状況を可視化して表示するディスプレイ等を有している。

記憶部８３には、基板処理装置１で実行される各種処理をプロセスコントローラ８１の制御によって実現するための制御プログラム（ソフトウエア）や、処理条件データ等が記録されたレシピ等が保存されている。プロセスコントローラ８１は、ユーザーインターフェース８２からの指示等、必要に応じて、任意の制御プログラムやレシピを記憶部８３から呼び出して実行する。これにより、プロセスコントローラ８１による制御下で、基板処理装置１の処理容器２内において所望の処理が行われる。

上記の制御プログラムおよびレシピは、例えば、ＣＤ−ＲＯＭ、ハードディスク、フレキシブルディスク、フラッシュメモリ、ＤＶＤ等のコンピュータ読み取り可能な記憶媒体に格納された状態のものを利用することができる。また、上記のレシピは、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することも可能である。

以上の構成を有する基板処理装置１では、ウエハＷに対し、マイクロ波を照射しての加熱処理及びマイクロ波により生成したプラズマを利用したプラズマ処理の両方を行うことができる。特に好ましい態様として、基板処理装置１では、ウエハＷに対して、アニール処理と同時にプラズマ処理を施すことが可能である。

［処理手順］
次に、基板処理装置１において、ウエハＷに対してアニール処理とプラズマ処理を同時に施す際の処理の手順について説明する。まず、例えばユーザーインターフェース８２から、基板処理装置１においてアニール処理とプラズマ処理を同時に行うように、プロセスコントローラ８１に指令が入力される。次に、プロセスコントローラ８１は、この指令を受けて、記憶部８３またはコンピュータ読み取り可能な記憶媒体に保存されたレシピを読み出す。次に、レシピに基づく条件によってアニール処理とプラズマ処理が同時に実行されるように、プロセスコントローラ８１から基板処理装置１の各エンドデバイス（例えば、マイクロ波導入装置３、ガス供給装置５ａ、排気装置６、昇降支持装置１８等）に制御信号が送出される。

次に、ゲートバルブＧＶが開状態にされて、図示しない搬送装置によって、ウエハＷが、搬入出口１２ａを通って処理容器２内に搬入され、支持アーム２０上に受け渡される。次に、支持アーム２０を受け渡し位置から下降させることによって、ウエハＷが載置台４上にセットされる。次に、ゲートバルブＧＶが閉状態にされて、排気装置６によって、処理容器２内のプラズマ処理空間Ｓ１が減圧排気される。なお、マイクロ波導入空間Ｓ２は大気圧のまま、または放電が起こり難い大気圧近傍の圧力であり、例えば７０ｋＰａ〜１００ｋＰａの範囲内の圧力である。次に、ガス供給装置５ａによって、所定の流量のガスがシャワーヘッド２４から処理容器２内のプラズマ処理空間Ｓ１へ導入される。プラズマ処理空間Ｓ１は、排気量およびガス供給量を調整することによって、所定の圧力例えば１０〜１０００Ｐａの範囲内に調整される。

次に、高電圧電源部４０からマグネトロン３１に対して電圧を印加し、マイクロ波を生成する。マグネトロン３１において生成されたマイクロ波は、導波管３２を伝搬し、底壁部１３に形成されたマイクロ波導入ポート１０を透過して、処理容器２内のマイクロ波導入空間Ｓ２に導入される。本実施の形態では、例えば、複数のマグネトロン３１において順次マイクロ波を生成し、各マイクロ波導入ポート１０から交互にマイクロ波をマイクロ波導入空間Ｓ２に導入する。なお、複数のマグネトロン３１において同時に複数のマイクロ波を生成させ、各マイクロ波導入ポート１０から同時にマイクロ波をマイクロ波導入空間Ｓ２に導入するようにしてもよい。

マイクロ波導入空間Ｓ２に導入されたマイクロ波は、石英などのマイクロ波透過性材料により形成された載置台４を透過し、ウエハＷの裏面側に照射されて、ジュール加熱、磁性加熱、誘導加熱等の電磁波加熱により、ウエハＷが迅速に加熱される。その結果、ウエハＷに対してアニール処理が施される。アニール処理の間に、流路１５に例えば冷媒などの熱媒体を通流させることによって、ウエハＷの局所的な冷却などの温度調節を行うことができる。これによって、ウエハＷ面内での加熱温度を均一化することができる。

また、載置台４を透過したマイクロ波の大部分は、ウエハＷをも透過し、プラズマ処理空間Ｓ１へ到達する。そのため、プラズマ処理空間Ｓ１に到達したマイクロ波によって、シャワーヘッド２４から導入されたガスが活性化され、プラズマが生成される。このプラズマによって、ウエハＷの上面（つまり、主面）に所定のプラズマ処理が施される。

図６は、基板処理装置１において、ウエハＷに対してアニール処理とプラズマ処理を同時に実施している状態を模式的に示している。この場合、マイクロ波導入装置３によってマイクロ波導入空間Ｓ２に導入されたマイクロ波２００は、載置台４を透過してウエハＷに照射されている。ウエハＷに照射されたマイクロ波２００の大部分は、さらに、ウエハＷを透過してプラズマ処理空間Ｓ１に放射されている。プラズマ処理空間Ｓ１には、ガス供給機構５からのガス２０１がシャワーヘッド２４を介して導入され、かつ、圧力などのプラズマ生成条件が整っているため、プラズマ処理空間Ｓ１においてプラズマ２０２が生成している。生成したプラズマ２０２によって、ウエハＷに対して、プラズマ処理が行われる。このように、本実施の形態の基板処理方法では、ウエハＷに対して、マイクロ波照射によるアニール処理とプラズマ処理とを同時に行うことができる。

ここで、載置台４を透過したマイクロ波２００の中で、ウエハＷの加熱に消費される割合は、条件によっても異なるが、概ね１０〜２０％前後である。従って、載置台４を透過したマイクロ波２００の８０〜９０％前後は、さらにウエハＷを透過してプラズマ処理空間Ｓ１へ放射され、プラズマ２０２の形成に消費され、プラズマ処理に利用される。また、載置台４を透過したマイクロ波２００の一部は処理容器２の壁面などにも吸収される。

プロセスコントローラ８１から基板処理装置１の各エンドデバイスにアニール処理及びプラズマ処理を終了させる制御信号が送出されると、マイクロ波の生成が停止されると共に、ガスおよび熱媒体の供給が停止されて、ウエハＷに対する処理が終了する。次に、プラズマ処理空間Ｓ１の圧力調節を行った後、ゲートバルブＧＶが開状態にされる。そして、ウエハＷを支持した支持アーム２０を受け渡し位置に上昇させると、図示しない搬送装置にウエハＷが受け渡され、処理容器２内から搬出される。

基板処理装置１は、例えば半導体デバイスの作製工程において、ウエハＷの加熱を伴うプラズマ処理に広く利用できる。ここで、プラズマ処理としては、特に限定されるものではなく、例えば、プラズマＣＶＤなどのプラズマ成膜処理、プラズマ酸化、プラズマ窒化などのプラズマ拡散処理、プラズマエッチング処理、プラズマ改質処理、プラズマアッシング処理、基板の不純物除去などのプラズマ前処理等を挙げることが可能であり、多様な用途への適用が可能である。

本実施の形態の基板処理装置１によれば、処理容器２内に導入したマイクロ波をウエハＷの加熱処理とプラズマ処理に利用できるため、マイクロ波の利用効率が高い。しかも、マイクロ波を利用することによって、従来のランプ加熱方式や抵抗加熱方式のヒータに比べ、ウエハＷだけを集中して加熱できる。このように、本実施の形態の基板処理装置１は、エネルギーの利用効率に非常に優れている。しかも、マイクロ波だけを利用してウエハＷの加熱とプラズマ処理を同時に行うことができるので、別途加熱設備を必要とせず、装置の簡素化を図ることが可能である。

また、基板処理装置１においては、条件を選択することによって、マイクロ波導入装置３からマイクロ波を導入した状態で、プラズマ処理空間Ｓ１でプラズマを生成させず、ウエハＷに対して、マイクロ波によるアニール処理のみを行うことも可能である。具体的には、例えば、
（１）プラズマ処理空間Ｓ１の圧力をプラズマが生成し難い１０００Ｐａを超える高い圧力（例えば大気圧）に設定する；
（２）プラズマ処理空間Ｓ１にプラズマを生成しやすいプラズマ生成ガスを含むガスの導入を行わない；
（３）プラズマ処理空間Ｓ１に窒素ガスなどのプラズマが生成し難いガスのみを導入する；などの条件を選択することによって、プラズマ処理空間Ｓ１にプラズマを生成させない状態を作り出すことが可能である。なお、上記（２）において、プラズマ生成ガスとしては、例えばＨｅ、Ｎｅ、Ａｒなどの希ガスを挙げることができる。

図７は、基板処理装置１において、上記（１）〜（３）のいずれかの条件に従い、ウエハＷに対してマイクロ波によるアニール処理だけを行うステップを実施している状態を模式的に示している。この場合、マイクロ波導入装置３によってマイクロ波導入空間Ｓ２に導入されたマイクロ波２００は、載置台４を透過し、ウエハＷに照射され、さらにウエハＷを透過してプラズマ処理空間Ｓ１に放射されているが、プラズマ処理空間Ｓ１においてプラズマは生成されていない。なお、ウエハＷを透過したマイクロ波２００は、プラズマ処理空間Ｓ１内で反射され、再度ウエハＷのアニール処理に用いられる。従って、図７では、ウエハＷに対して、マイクロ波２００の照射によるアニール処理だけを実施することができる。

一方、図７の状態から、ガス２０１をガス供給機構５からシャワーヘッド２４を介してプラズマ処理空間Ｓ１に所定の流量で導入し、かつ、圧力などのプラズマ生成条件を整えることによって、図６に示したように、プラズマ処理空間Ｓ１においてプラズマ２０２を生成させることができる。従って、図６の状態では、ウエハＷに対して、マイクロ波照射によるアニール処理とプラズマ処理とを同時に実施できる。

このように、本実施の形態の基板処理装置１では、上記（１）〜（３）のいずれかの条件に従い、プラズマ処理空間Ｓ１でプラズマ２０２を生成させない状態で、ウエハＷに対してマイクロ波２００によるアニール処理だけを行う状態と、プラズマ処理空間Ｓ１にプラズマ２０２を生成させた状態で、ウエハＷに対してアニール処理とプラズマ処理を同時に行う状態と、を選択して実施することが可能である。すなわち、本実施の形態の基板処理方法は、基板処理装置１において、
ｉ）ウエハＷに対してマイクロ波２００によるアニール処理だけを行う態様、
ii)ウエハＷに対してアニール処理とプラズマ処理を同時に行う態様、
又は、
iii)上記i)の態様と上記ii)の態様を切り替えて実施する態様、
を含むことができる。
上記iii)の態様の具体例として、基板処理装置１において、載置台４を透過したマイクロ波２００によってウエハＷを加熱するステップと、載置台４を透過したマイクロ波２００によってウエハＷを加熱すると同時に、プラズマ処理空間Ｓ１でプラズマ２０２を生成させてウエハＷに対してプラズマ処理を行うステップと、を含む手順を挙げることができる。この場合、例えば、前者のステップは、処理圧力をプラズマ２０２が発生しにくい１０００Ｐａを超える高圧にて行い、後者のステップは、プラズマ２０２が発生しやすい１０００Ｐａ以下の低圧にて行うことができる。なお、iii)の態様では、ｉ）を先に実行するか、ii)を先に実行するか、又は、i)とii)の切り替え回数などを自由に選択できる。また、これらｉ）〜iii)の態様のいずれを実施するかは、ウエハＷに対する処理目的に応じて選択することができる。

なお、本発明は上記実施の形態に限定されず、種々の変更が可能である。例えば、本発明の基板処理装置は、半導体ウエハを基板とする場合に限らず、例えば太陽電池パネルの基板やフラットパネルディスプレイ用基板を基板とする基板処理装置にも適用できる。

また、基板処理装置におけるマイクロ波ユニット３０の数（マグネトロン３１の数）やマイクロ波導入ポート１０の数は、上記実施の形態で説明した数に限られない。

また、上記実施の形態の基板処理装置１において、マイクロ波導入空間Ｓ２に近接した位置にマイクロ波を伝播させるアンテナを配備することもできる。

また、上記実施の形態の基板処理装置１では、載置台４を隔壁として機能させることによって、プラズマ処理空間Ｓ１を処理容器２の上部に形成し、マイクロ波導入空間Ｓ２を処理容器２の下部に形成した。しかし、上下を逆にして、プラズマ処理空間Ｓ１を処理容器２の下部に形成し、マイクロ波導入空間Ｓ２を処理容器２の上部に形成してもよい。この場合、載置台４の代わりにマイクロ波透過窓を設け、上下を反転させたウエハＷを、任意の支持手段によって当該マイクロ波透過窓に密着させて配置することにより、図１に示した基板処理装置１と同様の処理が実現できる。

１…基板処理装置、２…処理容器、３…マイクロ波導入装置、４…載置台、４ａ…載置面、５…ガス供給機構、５ａ…ガス供給装置、６…排気装置、８…制御部、１０…マイクロ波導入ポート、１１…天井部、１２…側壁部、１２ａ…搬入出口、１２ｂ…排気口、１２ｃ…挿通孔、１３…底壁部、１４…スペーサー、１５…流路、１６ａ…導入管、１６ｂ…導出管、１７…循環装置、１８…昇降支持装置、１９…シャフト、２０…支持アーム、２３…配管、２４…シャワーヘッド、２４ａ…ガス噴射孔、２４ｂ…ガス拡散空間、２５…排気管、２６…圧力調整バルブ、３０…マイクロ波ユニット、３２…導波管、４０…高電圧電源部、ＧＶ…ゲートバルブ、Ｗ…半導体ウエハ、Ｓ１…プラズマ処理空間、Ｓ２…マイクロ波導入空間

Claims (8)

1. 基板を収容する処理容器と、
   マイクロ波を透過させるマイクロ波透過性材料によって構成され、前記処理容器内で前記基板を支持する支持部材と、
   プラズマを生成させるガスを前記処理容器内に導入するガス供給装置と、
   マイクロ波を生成するマイクロ波源を有し、前記処理容器内に前記マイクロ波を導入するマイクロ波導入装置と、
   を備え、
   前記処理容器は、真空引き可能に構成され、前記基板に対してプラズマ処理を行うプラズマ処理空間を形成する第１の部屋と、前記マイクロ波導入装置が接続されて前記マイクロ波が直接導入されるマイクロ波導入空間を形成する第２の部屋と、を有し、前記支持部材によって前記第１の部屋と前記第２の部屋とが区画されており、
   前記支持部材を透過した前記マイクロ波によって、前記支持部材に支持された前記基板を加熱するとともに、前記第１の部屋内で前記プラズマを生成させて前記基板に対してプラズマ処理を行うように構成した基板処理装置。
2. 前記支持部材を透過して前記基板に照射された前記マイクロ波のうち、前記基板を透過した前記マイクロ波によって前記プラズマを生成させる請求項１に記載の基板処理装置。
3. 前記処理容器は、天井部と、底壁部と、これら天井部及び底壁部を接続する側壁部と、を備えており、
   前記天井部には、前記ガス供給装置に接続されて前記ガスを前記処理容器内に導入するガス導入部が設けられており、
   前記底壁部には、前記マイクロ波導入装置に接続されて前記マイクロ波を前記処理容器内に導入するマイクロ波導入部が設けられている請求項１又は２に記載の基板処理装置。
4. 前記支持部材には、前記基板の温度調節を行うための熱媒体を通流させる流路が設けられている請求項１から３のいずれか１項に記載の基板処理装置。
5. 前記熱媒体が、フッ素系溶媒である請求項４に記載の基板処理装置。
6. 前記マイクロ波透過性材料が、石英である請求項１から５のいずれか１項に記載の基板処理装置。
7. 基板を収容する処理容器と、
   マイクロ波を透過させるマイクロ波透過性材料によって構成され、前記処理容器内で前記基板を支持する支持部材と、
   プラズマを生成させるガスを前記処理容器内に導入するガス供給装置と、
   マイクロ波を生成するマイクロ波源を有し、前記処理容器内に前記マイクロ波を導入するマイクロ波導入装置と、を備え、
   前記処理容器は、真空引き可能に構成され、前記基板に対してプラズマ処理を行うプラズマ処理空間を形成する第１の部屋と、前記マイクロ波導入装置が接続されて前記マイクロ波が直接導入されるマイクロ波導入空間を形成する第２の部屋と、を有し、前記支持部材によって前記第１の部屋と前記第２の部屋とが区画されている基板処理装置を用い、
   前記支持部材を透過した前記マイクロ波によって、前記支持部材に支持された前記基板を加熱すると同時に、前記第１の部屋内で前記プラズマを生成させて前記基板に対してプラズマ処理を行う基板処理方法。
8. 基板を収容する処理容器と、
   マイクロ波を透過させるマイクロ波透過性材料によって構成され、前記処理容器内で前記基板を支持する支持部材と、
   プラズマを生成させるガスを前記処理容器内に導入するガス供給装置と、
   マイクロ波を生成するマイクロ波源を有し、前記処理容器内に前記マイクロ波を導入するマイクロ波導入装置と、
   を備え、
   前記処理容器は、真空引き可能に構成され、前記基板に対してプラズマ処理を行うプラズマ処理空間を形成する第１の部屋と、前記マイクロ波導入装置が接続されて前記マイクロ波が直接導入されるマイクロ波導入空間を形成する第２の部屋と、を有し、前記支持部材によって前記第１の部屋と前記第２の部屋とが区画されている基板処理装置を用い、
   前記支持部材を透過した前記マイクロ波によって、前記支持部材に支持された前記基板を加熱するステップと、
   前記支持部材を透過した前記マイクロ波によって、前記支持部材に支持された前記基板を加熱すると同時に、前記第１の部屋内で前記プラズマを生成させて前記基板に対してプラズマ処理を行うステップと、
   を含む基板処理方法。

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