JP6698560B2 - マイクロ波プラズマ源、マイクロ波プラズマ処理装置、およびプラズマ処理方法 - Google Patents

マイクロ波プラズマ源、マイクロ波プラズマ処理装置、およびプラズマ処理方法 Download PDF

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Description

本発明は、マイクロ波プラズマ源、マイクロ波プラズマ処理装置、およびプラズマ処理方法に関する。
プラズマ処理は、半導体デバイスの製造に不可欠な技術であるが、近時、ＬＳＩの高集積化、高速化の要請からＬＳＩを構成する半導体素子のデザインルールが益々微細化され、また、半導体ウエハが大型化されており、それにともなって、プラズマ処理装置においてもこのような微細化および大型化に対応するものが求められている。
プラズマ処理装置としては、従来から平行平板型や誘導結合型のプラズマ処理装置が用いられているが、大型の半導体ウエハを均一かつ高速にプラズマ処理することは困難である。
そこで、高密度で低電子温度の表面波プラズマを均一に形成することができるＲＬＳＡ（登録商標）マイクロ波プラズマ処理装置が注目されている（例えば特許文献１）。
ＲＬＳＡ（登録商標）マイクロ波プラズマ処理装置は、チャンバーの上部に所定のパターンで複数のスロットが形成された平面状のスロットアンテナを設け、マイクロ波発生器から導かれたマイクロ波を、誘電体からなる遅波材を介してスロットアンテナに導き、マイクロ波をスロットアンテナのスロットから放射させるとともに、誘電体からなるチャンバーの天壁を介して真空に保持されたチャンバー内に透過させ、チャンバー内に表面波プラズマを生成させるものである。そして、このプラズマにより、チャンバー内に導入されたガスをプラズマ化し、半導体ウエハ等の被処理体を処理する。
また、特許文献２には、ＲＬＳＡ（登録商標）マイクロ波プラズマ処理装置において、アンテナを収納する部材に温度センサーを有する温度制御装置を設けて、アンテナおよびその近傍の部材の温度を所定の温度範囲に制御することが記載されている。
さらに、特許文献３にはＲＬＳＡ（登録商標）マイクロ波プラズマ処理装置において、搬送波を変調することによって所定の周波数帯域幅を有するマイクロ波を生成して、マイクロ波の定在波や各スロットから放射されたマイクロ波どうしの干渉等によって生じる電界の偏りを緩和することが記載されている。
特開２０００−２９４５５０号公報 国際公開２００４／０１２２５２号パンフレット 特開２０１２−１０９０８０号公報
ところで、上記特許文献１〜３に記載されたＲＬＳＡ（登録商標）マイクロ波プラズマ処理装置においては、スロットアンテナのスロットパターンによってマイクロ波の放射特性が決定され、プラズマ密度分布が決定される。このため、スロットアンテナとして所望のプラズマ密度分布が得られるパターンのスロットを有するものが用いられる。
しかしながら、スロットアンテナを用いてマイクロ波プラズマを生成したときのプラズマ密度分布は、マイクロ波パワーやガス条件等により変動してしまうため、スロットパターンを決定しただけでは、高精度のプラズマ密度分布制御は困難である。
したがって、本発明は、スロットアンテナを用いてマイクロ波プラズマを生成する場合に、高精度のプラズマ密度分布制御を行うことができる技術を提供することを課題とする。
上記課題を解決するため、本発明の第１の観点は、チャンバー内にマイクロ波を放射して前記チャンバー内にマイクロ波プラズマを生成するマイクロ波プラズマ源であって、マイクロ波を発振するとともに、マイクロ波の発振周波数が可変のマイクロ波発振器と、前記マイクロ波発振器で発振されたマイクロ波を伝播する導波路と、前記導波路を伝播したマイクロ波を前記チャンバー内に放射する、所定パターンのスロットが形成されたスロットアンテナ、および前記チャンバーの天板を構成し、前記スロットから放射されたマイクロ波を透過する誘電体からなるマイクロ波透過板を有するアンテナ部と、前記チャンバー内にマイクロ波プラズマが生成されているときに、前記アンテナ部の前記チャンバー外における複数の位置の温度を検出する複数の温度検出器と、前記複数の温度検出器の検出信号が入力され、該検出信号に基づいて、前記チャンバー内のプラズマ密度分布が所望の分布になるように、前記マイクロ波発振器の発振周波数を制御する周波数制御器とを有することを特徴とするマイクロ波プラズマ源を提供する。
本発明の第２の観点は、被処理体が収容されるチャンバーと、マイクロ波を発振するとともに、マイクロ波の発振周波数が可変のマイクロ波発振器と、前記マイクロ波発振器で発振されたマイクロ波を伝播する導波路と、前記導波路を伝播したマイクロ波を前記チャンバー内に放射する、所定パターンのスロットが形成されたスロットアンテナ、および前記スロットから放射されたマイクロ波を透過する、誘電体からなるマイクロ波透過板を有するアンテナ部と、前記チャンバー内にマイクロ波プラズマが生成されているときに、前記アンテナ部の前記チャンバー外における複数の位置の温度を検出する複数の温度検出器と、前記複数の温度検出器の検出信号が入力され、該検出信号に基づいて、前記チャンバー内のプラズマ密度分布が所望の分布になるように、前記マイクロ波発振器の発振周波数を制御する周波数制御器と、前記チャンバー内にプラズマ処理のためのガスを供給するガス供給機構と、前記チャンバー内を排気する排気機構とを有することを特徴とするマイクロ波プラズマ処理装置を提供する。
前記第１および第２の観点において、前記複数の温度検出器を、前記アンテナ部の中央部と前記アンテナ部の端部にそれぞれ設けることが好ましい。
前記導波路は、前記マイクロ波発振器で発生されたマイクロ波をＴＥモードで伝播する導波管と、前記導波管から導かれたマイクロ波の伝播モードをＴＥモードからＴＥＭモードに変換するモード変換器と、前記モード変換器でＴＥＭモードに変換されたマイクロ波を前記アンテナ部に導く同軸導波管とを有する構成とすることができる。
前記同軸導波管の内導体の下端部には、前記アンテナ部の一部となるテーパーコネクタを有し、前記テーパーコネクタに前記中央部の温度検出器が設けられている構成とすることができる。
前記アンテナ部は、前記スロットアンテナの上に設けられた誘電体からなる遅波材と、前記スロットアンテナおよび前記遅波材を覆うように設けられた金属材からなるシールド蓋体とをさらに有し、前記シールド蓋体の端部に前記端部の温度検出器が設けられている構成とすることができる。
前記複数の温度検出器としては、熱電対を好適に用いることができる。
前記マイクロ波発振器としては、シグナルジェネレータと、前記シグナルジェネレータからの信号波形を増幅して所定パワーのマイクロ波を発振し、周波数変調機能を有するソリッドステートアンプとを有するものを用いることができる。
本発明の第３の観点は、被処理体が収容されるチャンバーと、マイクロ波を発振するとともに、マイクロ波の発振周波数が可変のマイクロ波発振器と、前記マイクロ波発振器で発振されたマイクロ波を伝播する導波路と、前記導波路を伝播したマイクロ波を前記チャンバー内に放射する、所定パターンのスロットが形成されたスロットアンテナ、および前記スロットから放射されたマイクロ波を透過する、誘電体からなるマイクロ波透過板を有するアンテナ部と、前記チャンバー内にプラズマ処理のためのガスを供給するガス供給機構と、前記チャンバー内を排気する排気機構とを有するマイクロ波プラズマ処理装置によりプラズマ処理を行うプラズマ処理方法であって、前記アンテナ部の前記チャンバー外における複数の位置の温度を検出し、その温度検出信号に基づいて、前記チャンバー内のプラズマ密度分布が所望の分布になるように、前記マイクロ波発振器の発振周波数を制御することを特徴とするプラズマ処理方法を提供する。
上記第３の観点において、前記複数の位置は、前記アンテナ部の中央部と前記アンテナ部の端部であることが好ましい。
本発明によれば、マイクロ波の発振周波数を変調することによりプラズマ密度分布を調整できるようにし、アンテナ部のチャンバーの外部の複数位置の温度を測定することによりプラズマ密度分布をモニタするので、モニタされたプラズマ密度分布に基づいて、マイクロ波の発振周波数を制御することにより高精度でプラズマ密度分布を制御することができる。
本発明の一実施形態に係るマイクロ波プラズマ処理装置の概略構成を示す断面図である。 電磁シミュレーションにより、マイクロ波プラズマ装置においてマイクロ波周波数を変化させた際のマイクロ波透過板下面の電界分布を示す図である。 マイクロ波の周波数を変化させて実際にプラズマを生成した実験を行った際の実験装置の概略構成を示す図である。 マイクロ波の周波数を２４５０〜２４７０ＭＨｚの間で変化させ、パワーを１０００〜２０００Ｗの範囲で変化させた際の天板下面の温度分布測定結果を示す図である。 マイクロ波周波数を２４１０〜２５００ＭＨｚの範囲で変化させた際の天板下面の温度分布測定結果を示す図である。 ２種類のガス系を用いてマイクロ波周波数を２４２０〜２４９０ＭＨｚの範囲で変化させた際の天板下面の温度分布測定結果とシミュレーションによる電界強度分布の結果を示す図である。 マイクロ波周波数を変化させた際の天板下面の温度分布測定結果と、テーパーコネクタ温度およびＩＲセンター温度を示す図である。 マイクロ波周波数を変化させた際のテーパーコネクタ温度とＩＲセンター温度との関係を示す図である。 マイクロ波周波数を固定して、パワーを変化させた際の天板下面の温度分布測定結果を示す図である。 マイクロ波周波数を固定して、パワーを変化させた際のテーパーコネクタ温度とＩＲセンター温度との関係を示す図である。
以下、添付図面を参照して本発明の実施の形態について詳細に説明する。
＜マイクロ波プラズマ処理装置の構成＞
図１は本発明の一実施形態に係るマイクロ波プラズマ処理装置の概略構成を示す断面図である。図１のマイクロ波プラズマ処理装置は、ＲＬＳＡ（登録商標）マイクロ波プラズマ処理装置等の、スロットアンテナを用いたマイクロ波プラズマ処理装置であり、絶縁膜、例えばＳｉＮ等の窒化膜する際のプラズマ処理を行う装置として構成されている。
図１に示すように、マイクロ波プラズマ処理装置１００は、気密に構成され、接地されたチャンバー１を有している。チャンバー１の底壁１ａの略中央部には開口部１０が形成されており、底壁１ａにはこの開口部１０と連通し、下方に向けて突出する排気室１１が設けられている。
チャンバー１内には被処理体、例えば半導体ウエハ（以下、「ウエハ」と記す）Ｗを水平に支持するためのＡｌＮ等のセラミックスからなるサセプタ２が設けられている。このサセプタ２は、排気室１１の底部中央から上方に延びる円筒状のＡｌＮ等のセラミックスからなる支持部材３により支持されている。サセプタ２の外縁部にはウエハＷをガイドするためのガイドリング４が設けられている。また、サセプタ２には抵抗加熱型のヒーター５が埋め込まれており、このヒーター５は給電されることによりサセプタ２を加熱しウエハＷを加熱する。
サセプタ２には、ウエハＷを支持して昇降させるためのウエハ支持ピン（図示せず）がサセプタ２の表面に対して突没可能に設けられている。
上記排気室１１の側面には排気管２３が接続されており、この排気管２３には真空ポンプや自動圧力制御バルブ等を含む排気機構２４が接続されている。排気機構２４の真空ポンプを作動させることによりチャンバー１内のガスが、排気室１１の空間１１ａ内へ均一に排出され、排気管２３を介して排気され、自動圧力制御バルブによりチャンバー１内を所定の真空度に制御可能となっている。
チャンバー１の側壁には、マイクロ波プラズマ処理装置１００に隣接する搬送室（図示せず）との間でウエハＷの搬入出を行うための搬入出口２５と、この搬入出口２５を開閉するゲートバルブ２６とが設けられている。
チャンバー１の上部は開口部となっており、その開口部を臨むようにマイクロ波プラズマ源２０が設けられている。
マイクロ波プラズマ源２０は、アンテナ部３０と、マイクロ波伝送部３５とを有している。
アンテナ部３０は、マイクロ波透過板２８と、スロットアンテナ３１と、遅波材３３とを有している。
マイクロ波透過板２８は、誘電体、例えば石英やＡｌ２Ｏ３等のセラミックスからなり、チャンバー１の開口部を塞ぐように、チャンバー１の側壁上部に嵌め込まれている。チャンバー１とマイクロ波透過板２８との間は、シールリングで密着されており、チャンバー１内は気密に保持される。
スロットアンテナ３１は、マイクロ波透過板２８に対応する円板状をなし、マイクロ波透過板２８に密着するように設けられている。このスロットアンテナ３１はチャンバー１の側壁上端に係止されている。スロットアンテナ３１は導電性材料からなる円板で構成されている。
スロットアンテナ３１は、例えば表面が銀または金メッキされた銅板またはアルミニウム板からなり、マイクロ波を放射するための複数のスロット３２が所定パターンで貫通するように形成された構成となっている。スロット３２のパターンは、マイクロ波が均等に放射されるように適宜設定される。例えば、パターンの例としては、Ｔ字状に配置された２つのスロット３２を一対として複数対のスロット３２が同心円状に配置されているものを挙げることができる。スロット３２の長さや配列間隔は、マイクロ波の実効波長（λg）に応じて決定され、例えばスロット３２は、それらの間隔がλg／４、λg／２またはλgとなるように配置される。なお、スロット３２は、円形状、円弧状等の他の形状であってもよい。さらに、スロット３２の配置形態は特に限定されず、同心円状のほか、例えば、螺旋状、放射状に配置することもできる。スロット３２のパターンは、所望のプラズマ密度分布が得られるマイクロ波放射特性となるように、適宜設定される。
遅波材３３は、スロットアンテナ３１の上面に密着して設けられている。遅波材３３は、真空よりも大きい誘電率を有する誘電体、例えば石英、セラミックス（Ａｌ２Ｏ３）、ポリテトラフルオロエチレン、ポリイミドなどの樹脂からなる。遅波材３３はマイクロ波の波長を真空中より短くしてスロットアンテナ３１を小さくする機能を有している。
マイクロ波透過板２８および遅波材３３の厚さは、遅波材３３、スロットアンテナ３１、マイクロ波透過板２８、およびプラズマで形成される等価回路が共振条件を満たすように調整される。遅波材３３の厚さを調整することにより、マイクロ波の位相を調整することができ、スロットアンテナ３１の接合部が定在波の「はら」になるように厚さを調整することにより、マイクロ波の反射が極小化され、マイクロ波の放射エネルギーが最大となる。また、遅波材３３とマイクロ波透過板２８を同じ材質とすることにより、マイクロ波の界面反射を防止することができる。
なお、スロットアンテナ３１とマイクロ波透過板２８との間、また、遅波材３３とスロットアンテナ３１との間は、離間して配置されていてもよい。
アンテナ部３０は、スロットアンテナ３１および遅波材３３を覆うように、例えばアルミニウムやステンレス鋼、銅等の金属材からなるシールド蓋体３４も有している。シールド蓋体３４には、冷却水流路３４ａが形成されており、そこに冷却水を通流させることにより、シールド蓋体３４、遅波材３３、スロットアンテナ３１、マイクロ波透過板２８を冷却するようになっている。なお、シールド蓋体３４は接地されている。
マイクロ波伝送部３５は、同軸導波管３７と、モード変換器３８と、導波管３９と、マイクロ波発振器４０と、チューナ４１とを有している。
同軸導波管３７は、シールド蓋体３４の上壁の中央に形成された開口部３６の上方から挿入されている。同軸導波管３７は、中空棒状の内導体３７ａと円筒状の外導体３７ｂが同心状に配置されてなり、上方に延びている。内導体３７ａの下端のテーパーコネクタ４３は、スロットアンテナ３１に接続されている。テーパーコネクタ４３の先端には金属製のカバー４４が設けられている。
モード変換器３８は、同軸導波管３７の上端に接続されている。モード変換器３８には、導波管３９が接続されている。導波管３９は、断面矩形状をなし、一端がモード変換器３８に接続され、他端がマイクロ波発振器４０に接続されている。
マイクロ波発振器４０は、シグナルジェネレータ４５とソリッドステートアンプ４６を有する。ソリッドステートアンプ４６は、シグナルジェネレータ４５からの信号波形を増幅して所定パワーのマイクロ波を発振するものであり、周波数変調機能を有している。例えば、中心周波数が２４５０ＭＨｚ（２．４５ＧＨｚ）の場合、２４００〜２５００ＭＨｚ（２．４〜２．５ＧＨｚ）の間で周波数を変調することが可能である。なお、マイクロ波の中心周波数は２４５０ＭＨｚには限らず、８．３５ＧＨｚ、１．９８ＧＨｚ、８６０ＭＨｚ、９１５ＭＨｚ等、種々の周波数を用いることができる。
チューナ４１は、導波管３９の途中に設けられており、チャンバー１内の負荷（プラズマ）のインピーダンスをマイクロ波発振器４０の電源の特性インピーダンスに整合させるものである。
マイクロ波発振器４０で発振されたマイクロ波は、ＴＥモードで導波管３９を伝播し、モード変換器３８でマイクロ波の伝播モードがＴＥモードからＴＥＭモードへ変換され、同軸導波管３７を介してスロットアンテナ３１に導かれる。なお、モード変換器３８でモード変換されてもＴＥモードが多少残存しているが、同軸導波管３７を介して伝播される間に残存しているＴＥモード成分もＴＥＭモードに変換される。
同軸導波管３７の内導体３７ａの中央部には、上部からテーパーコネクタ４３に至る孔４７が形成されており、孔４７には、温度検出器として第１熱電対５１がテーパーコネクタ４３の位置まで挿入され、第１熱電対５１によりアンテナ部３０の中央部の温度が検出される。一方、シールド蓋体３４の端部には、温度検出器として第２熱電対５２が設けられており、第２熱電対５２はアンテナ部３０の端部の温度が検出される。第１熱電対５１で検出されたアンテナ部中央温度（Ｔｃｅｎｔ）の信号および第２熱電対５２で検出されたアンテナ部端部温度（Ｔｅｄｇｅ）の信号は、マイクロ波の周波数を制御する周波数制御器５０に入力される。第１熱電対５１および第２熱電対５２は、いずれもアンテナ部３０の外部から挿入され、大気部分に配置されている。
周波数制御器５０は、第１熱電対５１および第２熱電対５２で検出されたＴｃｅｎｔおよびＴｅｄｇｅに基づいて、プラズマの密度分布が最適化されるように、マイクロ波発振器４０に指令を与え、マイクロ波発振器４０からのマイクロ波の発振周波数を制御する。すなわち、ＴｃｅｎｔおよびＴｅｄｇｅは、それぞれチャンバー１内のマイクロ波透過板２８下面の中央部およびエッジ部の温度と相関があり、また、マイクロ波の発振周波数を変動させることによりスロットアンテナ３１から放射する電界の分布を操作して、プラズマ密度分布を制御できることから、プラズマ密度分布を高精度に制御することができる。
マイクロ波プラズマ源２０は、同軸導波管３７の下部に、周方向に複数設けられた、外導体３７ｂから内導体３７ａへ向かって延出可能なスタブ部材４２を有している。スタブ部材４２は、その先端と内導体３７ａとの距離を調節することにより、マイクロ波の伝搬を周方向に調節する機能を有している。
マイクロ波プラズマ処理装置１００は、さらに、チャンバー１の側壁を介してチャンバー１内にガスを供給するガス供給機構６０を有している。ガス供給機構６０は、ガス供給源６１と、ガス供給源６１から延びる配管６２と、チャンバー１の側壁に沿って環状に設けられたバッファ室６３と、配管６２とバッファ室６３とを接続するガス流路６４と、バッファ室６３から等間隔でチャンバー１内に臨むように水平に設けられた複数のガス吐出口６５とを有する。
ガス供給機構６０からは、プラズマ処理に応じて適切なガスが供給されるようになっている。ガスとしては、例えば、プラズマ生成ガスであるＡｒガス等の希ガス、および処理ガスが供給される。プラズマ処理としては窒化処理が例示され、その際の処理ガスとしては、例えば、Ｈ２ガス、およびＮ２ガスやＮＨ３ガス等の窒化ガスが供給される。プラズマＣＶＤにより絶縁膜を成膜する場合には、その他に処理ガスとして原料ガスおよび反応ガスが供給される。例えば、絶縁膜としてＳｉＮ膜を成膜する場合には、原料ガスとしてモノシラン（ＳｉＨ４）やジシラン（Ｓｉ２Ｈ６）等のＳｉ原料ガス、反応ガスとしてＨ２ガス、およびＮ２ガスやアンモニア（ＮＨ３）ガスのような窒化ガス用いられる。このとき、マイクロ波プラズマによりプラズマ化する対象は、主に窒化ガスである。本実施形態の装置は、ＡＬＤ（原子層堆積法）による絶縁膜の成膜にも適用でき、その場合は、原料ガスと反応ガスを交互に供給し、反応ガスを供給する際にプラズマを着火する。例えばウエハＷへのＳｉ原料ガス吸着と、プラズマによる窒化とを交互に繰り返す。
ガス供給源６１の数はガスの数に応じた数であり、それぞれのガス供給源６１から配管６２が延びており、配管６２にはバルブおよびマスフローコントローラ等の流量制御器（いずれも図示せず）が設けられている。
マイクロ波プラズマ処理装置１００は全体制御部７０を有している。全体制御部７０は、マイクロ波プラズマ処理装置１００の各構成部、例えばマイクロ波発振器４０、ヒーター５の電源、排気機構２４、ガス供給機構６０のバルブや流量制御器等を制御するＣＰＵ（コンピュータ）を有する主制御部と、入力装置（キーボード、マウス等）、出力装置（プリンタ等）、表示装置（ディスプレイ等）、記憶装置（記憶媒体）を有している。記憶装置には、マイクロ波プラズマ処理装置１００で実行される各種処理のパラメータが記憶されており、また、マイクロ波プラズマ処理装置１００で実行される処理を制御するためのプログラム、すなわち処理レシピが格納された記憶媒体がセットされるようになっている。主制御部は、記憶媒体に記憶されている所定の処理レシピを呼び出し、その処理レシピに基づいてマイクロ波プラズマ処理装置１００により所定の処理が行われるように制御する。
＜マイクロ波プラズマ処理装置の動作＞
次に、このように構成されるマイクロ波プラズマ処理装置１００の動作について説明する。
まず、ゲートバルブ２６を開にして搬入出口２５から被処理基板であるウエハＷをチャンバー１内に搬入し、サセプタ２上に載置する。
そして、チャンバー１内を排気して所定の圧力にし、ガス供給機構６０から、所定のガスをチャンバー１内に導入しつつ、マイクロ波を導入し、チャンバー１内に、例えば、Ａｒガス等のプラズマ生成ガス、および窒化ガスを導入しつつ、マイクロ波発振器４０から所定のパワーのマイクロ波を発振させ、発振したマイクロ波を導波管３９にＴＥモードで伝播させ、モード変換器３８でＴＥＭモードに変換させるとともに、ＴＥＭモードのマイクロ波を同軸導波管３７に伝播させて、遅波材３３、スロットアンテナ３１のスロット３２、およびマイクロ波透過板２８を経て、チャンバー１内に放射させる。
マイクロ波は表面波としてマイクロ波透過板２８の直下領域にのみ広がり、表面波プラズマが生成される。そして、プラズマは下方に拡散し、ウエハＷの配置領域では、高電子密度かつ低電子温度のプラズマとなる。
このときのチャンバー１内のプラズマ密度分布は、従来、主にスロットアンテナ３１として、所望のプラズマ密度分布が得られるマイクロ波放射特性となるスロットパターンを有するものを用いることにより調整していた。しかし、スロットアンテナ３１を用いてマイクロ波プラズマを生成したときのプラズマ密度分布は、マイクロ波パワーやガス条件等により変動してしまうため、スロットパターンを決定しただけでは、高精度のプラズマ密度分布制御は困難である。スタブ部材４２により、マイクロ波の伝搬を周方向に調節し、電界の不均一を補正することはできるが、プラズマ密度分布の制御を高精度に行うことは困難である。
これに対し、本実施形態では、マイクロ波発振器４０として、発振する周波数が可変なものを用いることにより、スロットアンテナ３１のスロット３２から放射される電界の分布を操作できるようにし、これによりプラズマ密度分布の制御を行えるようにした。
この点について、以下に詳細に説明する。
本実施形態では、ソリッドステートアンプ４６として周波数変調機能を有するものを用いており、例えば、中心周波数が２４５０ＭＨｚに対して２４００〜２５００ＭＨｚの間で周波数を変化させることができる。このように周波数を変化させることによりスロットアンテナ３１のスロット３２から放射されるマイクロ波の放射特性が変化し、スロット３２から放射される電界の分布を変化させることができる。このように電界分布が変化すると、これにともなってプラズマ密度分布も変化する。このため、マイクロ波の周波数を変化させることにより、プラズマ密度分布を制御することができ、マイクロ波パワーやガス条件等によりプラズマ密度分布がスロットパターンにより狙った分布からずれたとしても、これを所望のプラズマ密度分布に向けて高精度で制御することができる。例えば、プラズマ密度が均一になるように設定したスロットパターンでプラズマ密度に不均一が生じた場合に、このような制御により、高精度で均一化することができる。
一方、プラズマ密度分布を制御するためには、例えばプラズマ密度の指標である、チャンバー１の天板を構成するマイクロ波透過板２８の下面の温度をモニタする必要があるが、この測定にはチャンバー１内を介して放射温度計や赤外線サーモグラフィー等で測定する必要があり、通常の装置ではこのような測定が困難である。
そこで、本発明者が検討した結果、アンテナ部３０のチャンバー１の外側部分で測定した温度が、チャンバー１内のマイクロ波透過板２８の下面の温度と相関が取れることが判明した。
このため、本実施形態では、同軸導波管３７の内導体３７ａの孔４７を介してテーパーコネクタ４３まで温度検出器として第１熱電対５１を挿入し、アンテナ部中央温度（Ｔｃｅｎｔ）を測定し、シールド蓋体３４の端部に温度検出器として第２熱電対５２を設けアンテナ部端部温度（Ｔｅｄｇｅ）の温度を測定する。これにより、プラズマ密度の指標であるマイクロ波透過板２８の下面の温度と相関のあるアンテナ部３０の温度を中央部と端部で測定することができ、プラズマ密度分布をモニタすることができる。
そして、第１熱電対５１で検出されたアンテナ部中央温度（Ｔｃｅｎｔ）の信号および第２熱電対５２で検出されたアンテナ部端部温度（Ｔｅｄｇｅ）の信号は、マイクロ波の周波数を制御する周波数制御器５０に入力され、周波数制御器５０ではこれらの温度信号に基づいて、マイクロ波発振器４０から発振されるマイクロ波の発振周波数を制御する。
具体的には、周波数制御器５０は、マイクロ波パワーやガス種・ガス組成に応じて、周波数とプラズマ密度分布の関係をデータベースとして有しており、アンテナ部中央温度（Ｔｃｅｎｔ）の信号およびアンテナ部端部温度（Ｔｅｄｇｅ）の信号から求められたマイクロ波プラズマの密度分布が所望の値になるような周波数の指令をシグナルジェネレータ４５に与え、ソリッドステートアンプ４６の周波数変調機能により、与えられた周波数のマイクロ波を発振する。
このように、アンテナ部３０の外側の温度を熱電対等の温度検出器を用いて測定するという極めて簡易な手法によりプラズマ密度分布をモニタすることができる。なお、温度測定位置をプラズマにより近い位置にすればより精度の高い温度測定が可能であるが、マイクロ波の線路上では熱電対は使えず、ファイバー温度計等により測定することが必要となる。ただし、本実施形態のように、アンテナ部３０の大気側のマイクロ波線路から離れた位置で熱電対により温度測定を行うほうが安定性が高い。
以上のように、本実施形態によれば、マイクロ波の発振周波数を変調することによりプラズマ密度分布を調整できるようにし、アンテナ部３０のチャンバー１の外部の中央部および端部の温度を測定することによりプラズマ密度分布をモニタするので、モニタされたプラズマ密度分布に基づいて、マイクロ波の発振周波数を制御することにより高精度でプラズマ密度分布を制御することができる。この場合に、プラズマ密度分布は、プラズマ密度が均一になるように制御してもよいし、所定の分布になるように制御してもよい。
＜検証実験＞
次に、本発明を検証した実験について説明する。
まず、電磁シミュレーションにより、マイクロ波プラズマ装置においてマイクロ波周波数を変化させた際のマイクロ波透過板下面の電界分布を求めた。図２は各周波数での電界強度分布を示す図である。図２では、白色側が電界強度が高く、黒色側が電界強度が低いことを示している。
図２の結果から、マイクロ波の周波数を変化させることにより、マイクロ波透過板下面の電界分布が変化するというシミュレーション結果が得られた。すなわち、シミュレーションにより、マイクロ波の周波数を変化させることにより、プラズマ密度分布を制御できることが確認された。
次に、実験装置によりマイクロ波の周波数を変化させて実際にプラズマを生成した実験を行った。
実験装置は、図３に示すようなものであり、図１の装置と同様、マイクロ波発振器としてシグナルジェネレータおよびソリッドステートアンプを備え、導波管および同軸導波管、およびスロットアンテナを有するアンテナ部を介してチャンバー内にマイクロ波を放射するものであるが、チャンバー内にサセプタを設けず空洞にして、チャンバーの底部からＩＲサーモビューワ（赤外線サーモグラフィー）により、アンテナ部の天板（マイクロ波透過板）の下面の温度を測定できるようにしたものとした。
図３の実験装置を用いて、処理ガスとしてＮＨ３ガス、Ｈ２ガス、Ａｒガスからなるアルゴン混合ガスを用い、チャンバー内の圧力を２Ｔｏｒｒとした条件で、マイクロ波の周波数を２４５０〜２４７０ＭＨｚの間で変化させ、パワーを１０００〜２０００Ｗの範囲で変化させた。その際の天板下面の温度は５０〜１００℃の間の所定の範囲であった。マイクロ波の周波数を変化させた際の天板下面の温度分布測定結果を図４に示す。図４においては、白色側が高温側であり、黒色側が低温側である（以下に説明する図５、図６、図７、図９も同様）。図４に示すように、周波数がこのような狭い範囲でもセンターの温度が高い状態（センターハイ）とコーナーの温度が高い状態（コーナーハイ）が現れ、センターとコーナーの温度分布変化が見られる。なお、同じ周波数でもパワーを変化させることにより温度分布の変化が生じる。温度分布の変化は、プラズマインピーダンスの変化に対応する。
次に、図３の実験装置を用いて、上と同様、処理ガスとしてＮＨ３ガス、Ｈ２ガス、Ａｒガスからなるアルゴン混合ガスを用い、チャンバー内の圧力を２Ｔｏｒｒにし、マイクロ波パワーを２０００Ｗ（一部１８００Ｗ）とした条件で、マイクロ波周波数を２４００〜２５００ＭＨｚの範囲で変化させた。２４００ＭＨｚでは十分な出力が得られなかったが、２４１０〜２５００ＭＨｚの範囲ではプラズマが生成された。その際の天板下面の温度分布測定結果を図５に示す。図５に示すように、２４１０〜２４３０ＭＨｚでは、図４でコーナーハイであった２４５５ＭＨｚよりもさらに強いコーナーハイの傾向が得られた。２４６５ＭＨｚではセンターハイの傾向が得られたが、センターのみ着火する分布は得られなかった。
次に、図３の実験装置を用いて、ガス系を変化させた条件で実験を行った。ここでは、チャンバー内圧力を２Ｔｏｒｒ、マイクロ波パワーを２０００Ｗとし、ガス系を２種類の組成比（Ｎｏ．１，Ｎｏ．２）のアルゴン混合ガスとし、マイクロ波周波数を２４２０〜２４９０ＭＨｚの範囲で変化させた。その際の天板下面の温度分布測定結果およびシミュレーションによる電界強度分布の結果を図６に示す。図６に示すように、ガス系の違いにより、センターハイとなる周波数が異なることが確認された。また、Ｎｏ．１よりもＮｏ．２の方が、よりセンターハイ、コーナーハイの変動幅が大きい傾向が得られた。また、実験の天板下面の温度分布は、シミュレーションによる電界強度分布の結果とよく一致することがわかる。
このことから、マイクロ波の周波数を変化させることにより、天板下面の温度分布を制御することができ、天板下面の温度はプラズマ密度に対応することから、マイクロ波の周波数を変化させることによりプラズマ密度分布を制御できることがわかった。また、マイクロ波パワーやガス条件等が変化すると、天板下面の温度分布、すなわちプラズマ密度分布は変化するが、マイクロ波の周波数を変化させることで、そのようなプラズマ密度分布を調整できることも確認された。
次に、プラズマ密度分布をモニタするモニタ手段について検証した。
ここでは、プラズマ密度分布をモニタするモニタ手段として、アンテナ部のチャンバー外部中央に対応する同軸導波管のテーパーコネクタに温度検出器として熱電対を設け、天板下面の中央の温度との相関を求めた。ここでは、チャンバー内圧力を２Ｔｏｒｒ、マイクロ波パワーを２０００Ｗとし、ガス系を、図６の実験と同様、２種類の組成比（Ｎｏ．１，Ｎｏ．２）のアルゴン混合ガスとし、マイクロ波周波数を変化させた。その際の天板下面の温度分布測定結果と、テーパーコネクタ温度およびＩＲによる天板センター温度（ＩＲセンター温度）を図７に示す。この図に示すように、マイクロ波パワーを固定し、マイクロ波周波数を変化させることにより天板下面の温度分布（プラズマ密度分布）を変化させると、テーパーコネクタ温度は、ＩＲセンター温度とともに変動することが確認された。その際のこれらの関係を図８に示すが、テーパーコネクタ温度とＩＲセンター温度との間に強い相関関係が見られた。なお、同様に、アンテナ部のチャンバー外部の端部に対応する位置に熱電対を設けることによって、天板下面端部の温度をモニタすることができる。
次に、マイクロ波周波数を固定して、パワーを変化させたときの天板下面の温度分布測定結果、ならびにテーパーコネクタ温度およびＩＲセンター温度の相関について検証した。ここでは、マイクロ波周波数を２４６０ＭＨｚに固定し、チャンバー内圧力を２Ｔｏｒｒとし、ガス系を、図６の実験と同様、２種類の組成比（Ｎｏ．１，Ｎｏ．２）のアルゴン混合ガスとして、マイクロ波パワーを変化させた。その際の天板下面の温度分布測定結果を図９に示し、テーパーコネクタ温度とＩＲセンター温度との関係を図１０に示す。これらの図に示すように、マイクロ波パワーが変化することにより天板下面の温度分布（プラズマ密度分布）が変化し、これにともなってＩＲセンター温度が変化するが、テーパーコネクタ温度はＩＲセンター温度に対して強い相関があることが確認された。
＜他の適用＞
以上、添付図面を参照して本発明の実施形態について説明したが、本発明は、上記の実施の形態に限定されることなく、本発明の思想の範囲内において種々変形可能である。
例えば、上記実施形態では、マイクロ波プラズマ処理として、窒化処理やプラズマＣＶＤ、ＡＬＤを例にとって説明したが、これに限らず、プラズマエッチングや、プラズマ酸化処理等の他のプラズマ処理にも適用可能である。
また、上記実施形態では、固定された載置台上のウエハにプラズマ処理を行う場合を示したが、例えば、回転テーブル等の移動可能な載置台にウエハを載せてウエハを移動させ、マイクロ波プラズマ源を通過する際にプラズマ処理を行う装置であってもよい。このような装置としては、ウエハが通過する部分の一部に反応ガスをプラズマ化するためにマイクロ波プラズマ源を配置し、他の部分に原料ガスを供給する機構を設けて、原料ガスとプラズマ化された反応ガスとを交互に供給して所定の膜を成膜する回転式のＡＬＤ成膜装置を挙げることができる。
さらに、上記実施形態では、アンテナ部のチャンバー外部の中央部および端部の温度を熱電対により検出した例を示したが、温度検出位置は、中央部と端部に限らず、複数の位置であればよく、温度検出器も熱電対に限るものではない。
さらに、上記実施形態では被処理基板として半導体ウエハを用いた場合について説明したが、半導体ウエハに限るものではなく、ガラス基板やセラミックス基板等の他の被処理体であってもよい。
１；チャンバー
２；サセプタ
５；ヒーター
２４；排気機構
２８；マイクロ波透過板
３０；アンテナ部
３１；スロットアンテナ
３２；スロット
３３；遅波材
３７；同軸導波管
３８；モード変換器
３９；導波管
４０；マイクロ波発生器
４１；チューナ
４２；スタブ部材
４３；テーパーコネクタ
４５；シグナルジェネレータ
４６；ソリッドステートアンプ
５０；周波数制御器
５１；第１熱電対
５２；第２熱電対
６０；ガス供給機構
７０；全体制御部
１００；マイクロ波プラズマ処理装置
Ｗ；半導体ウエハ（被処理体）

Claims (16)

  1. チャンバー内にマイクロ波を放射して前記チャンバー内にマイクロ波プラズマを生成するマイクロ波プラズマ源であって、
    マイクロ波を発振するとともに、マイクロ波の発振周波数が可変のマイクロ波発振器と、
    前記マイクロ波発振器で発振されたマイクロ波を伝播する導波路と、
    前記導波路を伝播したマイクロ波を前記チャンバー内に放射する、所定パターンのスロットが形成されたスロットアンテナ、および前記チャンバーの天板を構成し、前記スロットから放射されたマイクロ波を透過する誘電体からなるマイクロ波透過板を有するアンテナ部と、
    前記チャンバー内にマイクロ波プラズマが生成されているときに、前記アンテナ部の前記チャンバー外における複数の位置の温度を検出する複数の温度検出器と、
    前記複数の温度検出器の検出信号が入力され、該検出信号に基づいて、前記チャンバー内のプラズマ密度分布が所望の分布になるように、前記マイクロ波発振器の発振周波数を制御する周波数制御器と
    を有することを特徴とするマイクロ波プラズマ源。
  2. 前記複数の温度検出器は、前記アンテナ部の中央部と前記アンテナ部の端部にそれぞれ設けられることを特徴とする請求項１に記載のマイクロ波プラズマ源。
  3. 前記導波路は、前記マイクロ波発振器で発生されたマイクロ波をＴＥモードで伝播する導波管と、前記導波管から導かれたマイクロ波の伝播モードをＴＥモードからＴＥＭモードに変換するモード変換器と、前記モード変換器でＴＥＭモードに変換されたマイクロ波を前記アンテナ部に導く同軸導波管とを有することを特徴とする請求項２に記載のマイクロ波プラズマ源。
  4. 前記同軸導波管の内導体の下端部には、前記アンテナ部の一部となるテーパーコネクタを有し、前記テーパーコネクタに前記中央部の温度検出器が設けられていることを特徴とする請求項３に記載のマイクロ波プラズマ源。
  5. 前記アンテナ部は、前記スロットアンテナの上に設けられた誘電体からなる遅波材と、前記スロットアンテナおよび前記遅波材を覆うように設けられた金属材からなるシールド蓋体とをさらに有し、前記シールド蓋体の端部に前記端部の温度検出器が設けられていることを特徴とする請求項３または請求項４に記載のマイクロ波プラズマ源。
  6. 前記複数の温度検出器は、熱電対であることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載のマイクロ波プラズマ源。
  7. 前記マイクロ波発振器は、シグナルジェネレータと、前記シグナルジェネレータからの信号波形を増幅して所定パワーのマイクロ波を発振し、周波数変調機能を有するソリッドステートアンプとを有することを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか１項に記載のマイクロ波プラズマ源。
  8. 被処理体が収容されるチャンバーと、
    マイクロ波を発振するとともに、マイクロ波の発振周波数が可変のマイクロ波発振器と、
    前記マイクロ波発振器で発振されたマイクロ波を伝播する導波路と、
    前記導波路を伝播したマイクロ波を前記チャンバー内に放射する、所定パターンのスロットが形成されたスロットアンテナ、および前記スロットから放射されたマイクロ波を透過する、誘電体からなるマイクロ波透過板を有するアンテナ部と、
    前記チャンバー内にマイクロ波プラズマが生成されているときに、前記アンテナ部の前記チャンバー外における複数の位置の温度を検出する複数の温度検出器と、
    前記複数の温度検出器の検出信号が入力され、該検出信号に基づいて、前記チャンバー内のプラズマ密度分布が所望の分布になるように、前記マイクロ波発振器の発振周波数を制御する周波数制御器と、
    前記チャンバー内にプラズマ処理のためのガスを供給するガス供給機構と、
    前記チャンバー内を排気する排気機構と
    を有することを特徴とするマイクロ波プラズマ処理装置。
  9. 前記複数の温度検出器は、前記アンテナ部の中央部と前記アンテナ部の端部にそれぞれ設けられることを特徴とする請求項８に記載のマイクロ波プラズマ処理装置。
  10. 前記導波路は、前記マイクロ波発振器で発生されたマイクロ波をＴＥモードで伝播する導波管と、前記導波管から導かれたマイクロ波の伝播モードをＴＥモードからＴＥＭモードに変換するモード変換器と、前記モード変換器でＴＥＭモードに変換されたマイクロ波を前記アンテナ部に導く同軸導波管とを有することを特徴とする請求項９に記載のマイクロ波プラズマ処理装置。
  11. 前記同軸導波管の内導体の下端部には、前記アンテナ部の一部となるテーパーコネクタを有し、前記テーパーコネクタに前記中央部の温度検出器が設けられていることを特徴とする請求項１０に記載のマイクロ波プラズマ処理装置。
  12. 前記アンテナ部は、前記スロットアンテナの上に設けられた誘電体からなる遅波材と、前記スロットアンテナおよび前記遅波材を覆うように設けられた金属材からなるシールド蓋体とをさらに有し、前記シールド蓋体の端部に前記端部の温度検出器が設けられていることを特徴とする請求項１０または請求項１１に記載のマイクロ波プラズマ処理装置。
  13. 前記複数の温度検出器は、熱電対であることを特徴とする請求項８から請求項１２のいずれか１項に記載のマイクロ波プラズマ処理装置。
  14. 前記マイクロ波発振器は、シグナルジェネレータと、前記シグナルジェネレータからの信号波形を増幅して所定パワーのマイクロ波を発振し、周波数変調機能を有するソリッドステートアンプとを有することを特徴とする請求項８から請求項１３のいずれか１項に記載のマイクロ波プラズマ処理装置。
  15. 被処理体が収容されるチャンバーと、
    マイクロ波を発振するとともに、マイクロ波の発振周波数が可変のマイクロ波発振器と、
    前記マイクロ波発振器で発振されたマイクロ波を伝播する導波路と、
    前記導波路を伝播したマイクロ波を前記チャンバー内に放射する、所定パターンのスロットが形成されたスロットアンテナ、および前記スロットから放射されたマイクロ波を透過する、誘電体からなるマイクロ波透過板を有するアンテナ部と、
    前記チャンバー内にプラズマ処理のためのガスを供給するガス供給機構と、
    前記チャンバー内を排気する排気機構とを有するマイクロ波プラズマ処理装置によりプラズマ処理を行うプラズマ処理方法であって、
    前記アンテナ部の前記チャンバー外における複数の位置の温度を検出し、
    その温度検出信号に基づいて、前記チャンバー内のプラズマ密度分布が所望の分布になるように、前記マイクロ波発振器の発振周波数を制御することを特徴とするプラズマ処理方法。
  16. 前記複数の位置は、前記アンテナ部の中央部と前記アンテナ部の端部であることを特徴とする請求項１５に記載のプラズマ処理方法。
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