JP6700127B2 - マイクロ波プラズマ処理装置 - Google Patents

Description

本発明は、マイクロ波プラズマ処理装置に関する。

マイクロ波プラズマ処理装置は、平行平板型のプラズマ処理装置と比較して、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可能である。マイクロ波プラズマ処理装置では、マイクロ波は複数のマイクロ波導入機構を介してチャンバの天井部からチャンバ内に放射される。放射されたマイクロ波によりチャンバ側の表面に表面波プラズマが生成され、表面波プラズマにより基板にプラズマ処理が施される（例えば、特許文献１、２を参照）。特許文献１，２は、チャンバの天井部にてマイクロ波導入機構毎に誘電体からなるマイクロ波透過窓を設け、マイクロ波透過窓を介してチャンバ内にマイクロ波を放射する。

国際公開第２００８／０１３１１２号パンフレット 特開２０１２−２１６７４５号公報

しかしながら、かかる構成では、マイクロ波導入機構の構成や配置によっては、周方向にプラズマが十分に広がらず、プラズマが不均一になるという課題が生じる場合がある。

上記課題に対して、一側面では、本発明は、マイクロ波の放射効率を高めることを目的とする。

上記課題を解決するために、一の態様によれば、基板を収容するチャンバと、前記チャンバ内にマイクロ波を放射するマイクロ波放射部材とを有し、表面波プラズマによって基板にプラズマ処理を施すマイクロ波プラズマ処理装置であって、前記マイクロ波放射部材は、金属の本体部と、前記本体部内のマイクロ波が導入される側に形成され、マイクロ波を透過させる誘電体の遅波材と、前記本体部内の前記遅波材の外周部及び内周部の少なくともいずれかに配置され、前記遅波材よりも比誘電率が低い誘電体の共振機構と、前記遅波材の下面にて長手方向がマイクロ波の磁場方向と揃うように形成され、前記遅波材及び前記共振機構を伝播したマイクロ波を放射する複数のスロットとを有するマイクロ波プラズマ処理装置が提供される。

一の側面によれば、マイクロ波の放射効率を高めることができる。

一実施形態に係るマイクロ波プラズマ処理装置の縦断面の一例を示す図。 一実施形態に係るマイクロ波プラズマ源の構成の一例を示す図。 一実施形態に係るマイクロ波放射部材の一例を示す拡大図。 図３のＡ−Ａ断面図。 図３のＡ−Ａ断面図（変形例）。 図４のＢ−Ｂ断面図。 一実施形態に係る遅波材によるマイクロ波電力の分配を説明するための図。 一実施形態に係る誘電体層の効果を説明するための図。 比誘電率の異なる誘電体を透過するマイクロ波の波長を説明するための図。 一実施形態に係る共振機構とマイクロ波の放射効率との関係を説明するための図。 一実施形態に係る共振機構による放射効率の一例を示す図。 一実施形態の変形例１に係るマイクロ波プラズマ処理装置の縦断面の一例を示す図。 一実施形態の変形例２に係るマイクロ波プラズマ処理装置の縦断面の一例を示す図。

以下、本発明を実施するための形態について図面を参照して説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の構成については、同一の符号を付することにより重複した説明を省く。

［マイクロ波プラズマ処理装置の全体構成］
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１００の断面図の一例を示す。図２は、図１のマイクロ波プラズマ処理装置１００に用いられるマイクロ波プラズマ源２の構成の一例を示すブロック図である。

マイクロ波プラズマ処理装置１００は、マイクロ波により表面波プラズマを形成して基板の一例である半導体ウェハＷ（以下、「ウェハＷ」と称呼する）に対して所定のプラズマ処理を行う。プラズマ処理の一例としては、成膜処理またはエッチング処理が例示される。

マイクロ波プラズマ処理装置１００は、ウェハＷを収容するチャンバ１を有する。チャンバ１は、気密に構成されたアルミニウムまたはステンレス鋼等の金属材料からなる略円筒状の容器であり、接地されている。マイクロ波プラズマ源２は、チャンバ１の上部に形成された開口部１ａからチャンバ１の内部に臨むように設けられている。マイクロ波プラズマ源２によりチャンバ１内にマイクロ波が導入されると、チャンバ１内にて表面波プラズマが形成される。

チャンバ１内にはウェハＷを載置する載置台１１が設けられている。載置台１１は、チャンバ１の底部中央に絶縁部材１２ａを介して立設された筒状の支持部材１２により支持されている。載置台１１および支持部材１２を構成する材料としては、表面をアルマイト処理（陽極酸化処理）したアルミニウム等の金属や内部に高周波用の電極を有した絶縁性部材（セラミックス等）が例示される。載置台１１には、ウェハＷを静電吸着するための静電チャック、温度制御機構、ウェハＷの裏面に熱伝達用のガスを供給するガス流路等が設けられてもよい。

載置台１１には、整合器１３を介して高周波バイアス電源１４が電気的に接続されている。高周波バイアス電源１４から載置台１１に高周波電力が供給されることにより、ウェハＷ側にプラズマ中のイオンが引き込まれる。なお、高周波バイアス電源１４はプラズマ処理の特性によっては設けなくてもよい。

チャンバ１の底部には排気管１５が接続されており、この排気管１５には真空ポンプを含む排気装置１６が接続されている。排気装置１６を作動させるとチャンバ１内が排気され、これにより、チャンバ１内が所定の真空度まで高速に減圧される。チャンバ１の側壁には、ウェハＷの搬入出を行うための搬入出口１７と、搬入出口１７を開閉するゲートバルブ１８とが設けられている。

マイクロ波プラズマ源２は、マイクロ波出力部３０とマイクロ波伝送部４０とマイクロ波放射部材５０とを有する。マイクロ波出力部３０は、複数経路に分配してマイクロ波を出力する。

マイクロ波伝送部４０は、マイクロ波出力部３０から出力されたマイクロ波を伝送する。周縁マイクロ波導入機構４３ａおよび中心マイクロ波導入機構４３ｂは、アンプ部４２から出力されたマイクロ波をマイクロ波放射部材５０に導入する機能およびインピーダンスを整合する機能を有する。

周縁マイクロ波導入機構４３ａおよび中心マイクロ波導入機構４３ｂは、筒状の外側導体５２およびその中心に設けられた棒状の内側導体５３を同軸状に配置する。外側導体５２と内側導体５３との間の空間にマイクロ波電力が給電され、マイクロ波放射部材５０に向かってマイクロ波が伝播するマイクロ波伝送路４４となっている。

周縁マイクロ波導入機構４３ａおよび中心マイクロ波導入機構４３ｂには、スラグ６１と、その先端部に位置するインピーダンス調整部材１４０とが設けられている。スラグ６１を移動させることにより、チャンバ１内の負荷（プラズマ）のインピーダンスをマイクロ波出力部３０におけるマイクロ波電源の特性インピーダンスに整合させる機能を有する。インピーダンス調整部材１４０は、誘電体で形成され、その比誘電率によりマイクロ波伝送路４４のインピーダンスを調整するようになっている。

マイクロ波放射部材５０は、チャンバ１の上部に設けられた支持リング２９に気密にシールされた状態で設けられ、マイクロ波伝送部４０から伝送されたマイクロ波をチャンバ１内に放射する。マイクロ波放射部材５０は、チャンバ１の天井部を構成している。

マイクロ波放射部材５０にはシャワー構造の第１ガス導入部２１が設けられており、第１ガス導入部２１には、ガス供給配管１１１を介して第１ガス供給源２２が接続されている。第１ガス供給源２２から供給される第１のガスは、第１ガス導入部２１を通ってチャンバ１内にシャワー状に供給される。第１ガス導入部２１は、チャンバ１の天井部に形成された複数のガス孔から第１の高さで第１ガスを供給する第１のガスシャワーヘッドの一例である。第１のガスの一例としては、例えばＡｒガス等のプラズマ生成用のガスや、例えばＯ_２ガスやＮ_２ガス等の高エネルギーで分解させたいガスが挙げられる。

マイクロ波放射部材５０は、本体部１２０、遅波材１２１、マイクロ波透過部材１２２、スロット１２３、誘電体層１２４及び誘電体の共振機構１２９を有する。本実施形態では、共振機構１２９の内部は空気により充填されている。ただし、共振機構１２９の内部はテフロン（登録商標）により充填されていてもよい。

共振機構１２９の厚さは、遅波材１２１の厚さよりも薄い。本体部１２０の内部であって遅波材１２１の外周部に、遅波材１２１が嵌め込まれる空間よりも高さが低い空間を形成することで、遅波材１２１が本体部１２０に嵌め込まれたときに遅波材１２１の位置決めと、共振機構１２９の空間の形成とを行うことができる。なお、マイクロ波放射部材５０の詳細な構造については後述する。

また、チャンバ１内の載置台１１とマイクロ波放射部材５０との間の位置には、シャワープレートとして構成される第２ガス導入部２３がチャンバ１に水平に設けられている。第２ガス導入部２３は、格子状に形成されたガス流路２４と、ガス流路２４に形成された多数のガス孔２５とを有しており、格子状のガス流路２４の間は空間部２６となっている。ガス流路２４には、チャンバ１の外側に延びるガス供給配管２７が接続されており、ガス供給配管２７には第２ガス供給源２８が接続されている。第２ガス供給源２８からは、成膜処理やエッチング処理等のプラズマ処理の際に、極力分解させずに供給したい処理ガス、例えばＳｉＨ_４ガスやＣ_５Ｆ_８ガス等の第２のガスが供給されるようになっている。第２ガス導入部２３は、第１ガスを供給する第１の高さよりも低い第２の高さで複数のガス孔から第２ガスを供給する第２のガスシャワーヘッドの一例である。第１ガス導入部２１及び第２ガス導入部２３は、ガスシャワーヘッドからチャンバ１内にガスを供給するガス供給機構の一例である。なお、第１ガス供給源２２および第２ガス供給源２８から供給されるガスとしては、プラズマ処理の内容に応じた種々のガスを用いることができる。

マイクロ波プラズマ処理装置１００の各部は、制御装置３により制御される。制御装置３は、マイクロプロセッサ４、ＲＯＭ（Read Only Memory）５、ＲＡＭ（Random Access Memory）６等を有している。ＲＯＭ５やＲＡＭ６にはマイクロ波プラズマ処理装置１００のプロセスシーケンス及び制御パラメータであるプロセスレシピが記憶されている。マイクロプロセッサ４は、プロセスシーケンス及びプロセスレシピに基づき、マイクロ波プラズマ処理装置１００の各部を制御する制御部の一例である。また、制御装置３は、タッチパネル７及びディスプレイ８等を有し、プロセスシーケンス及びプロセスレシピに従って所定の制御を行う際の入力や結果の表示等が可能になっている。

かかる構成のマイクロ波プラズマ処理装置１００においてプラズマ処理を行う際には、まず、ウェハＷが、搬送アーム上に保持された状態で、開口したゲートバルブ１８から搬入出口１７を通りチャンバ１内に搬入される。ゲートバルブ１８はウェハＷを搬入後に閉じられる。ウェハＷは、搬送アームからプッシャーピンに移され、プッシャーピンが降下することにより載置台１１に載置される。チャンバ１内の圧力は、排気装置１６により所定の真空度に保持される。第１のガスが第１ガス導入部２１からシャワー状にチャンバ１内に導入され、第２のガスが第２ガス導入部２３からシャワー状にチャンバ１内に導入される。周縁マイクロ波導入機構４３ａおよび中心マイクロ波導入機構４３ｂを介してマイクロ波放射部材５０から放射されたマイクロ波により、第１及び第２のガスが分解され、チャンバ側の表面に生成される表面波プラズマによってウェハＷにプラズマ処理が施される。

（マイクロ波プラズマ源）
マイクロ波プラズマ源２は、マイクロ波出力部３０と、マイクロ波伝送部４０と、マイクロ波放射部材５０とを有する。図２に示すように、マイクロ波出力部３０は、マイクロ波電源３１と、マイクロ波発振器３２と、発振されたマイクロ波を増幅するアンプ３３と、増幅されたマイクロ波を複数に分配する分配器３４とを有している。

マイクロ波発振器３２は、所定周波数（例えば、８６０ＭＨｚ）のマイクロ波を例えばＰＬＬ（Phase Locked Loop）発振させる。分配器３４では、マイクロ波の損失ができるだけ起こらないように、入力側と出力側のインピーダンス整合を取りながらアンプ３３で増幅されたマイクロ波を分配する。なお、マイクロ波の周波数としては、８６０ＭＨｚの他に、９１５ＭＨｚ等、７００ＭＨｚから３ＧＨｚの範囲の種々の周波数を用いることができる。

図１に示すように、マイクロ波伝送部４０は、複数のアンプ部４２と、アンプ部４２に対応して設けられた周縁マイクロ波導入機構４３ａおよび中心マイクロ波導入機構４３ｂとを有する。周縁マイクロ波導入機構４３ａは、マイクロ波放射部材５０の周縁部の上に周方向に沿って複数（例えば６つ）設けられており、中心マイクロ波導入機構４３ｂは、マイクロ波放射部材５０の中央部の上に一つ設けられている。周縁マイクロ波導入機構４３ａの数は２以上であればよいが、３以上が好ましく、例えば３〜６であってもよい。

図２に示すように、アンプ部４２は、分配器３４にて分配されたマイクロ波を周縁マイクロ波導入機構４３ａ及び中心マイクロ波導入機構４３ｂに導く。アンプ部４２は、位相器４６と、可変ゲインアンプ４７と、ソリッドステートアンプを構成するメインアンプ４８と、アイソレータ４９とを有している。

位相器４６は、マイクロ波の位相を変化させることにより放射特性を変調させることができる。例えば、周縁マイクロ波導入機構４３ａ及び中心マイクロ波導入機構４３ｂのそれぞれに導入されるマイクロ波の位相を調整することにより指向性を制御してプラズマ分布を変化させることができる。また、隣り合うマイクロ波導入機構において９０°ずつ位相をずらすようにして円偏波を得ることができる。また、位相器４６は、アンプ内の部品間の遅延特性を調整し、チューナ内での空間合成を目的として使用することができる。ただし、このような放射特性の変調やアンプ内の部品間の遅延特性の調整が不要な場合には位相器４６は設けなくてもよい。

可変ゲインアンプ４７は、メインアンプ４８へ入力するマイクロ波の電力レベルを調整し、プラズマ強度を調整する。可変ゲインアンプ４７をアンテナモジュール毎に変化させることによって、発生するプラズマに分布を生じさせることができる。

ソリッドステートアンプを構成するメインアンプ４８は、例えば、入力整合回路と、半導体増幅素子と、出力整合回路と、高Ｑ共振回路とを有する。アイソレータ４９は、スロットアンテナ部で反射してメインアンプ４８に向かう反射マイクロ波を分離するものであり、サーキュレータとダミーロード（同軸終端器）とを有している。サーキュレータは、反射したマイクロ波をダミーロードへ導き、ダミーロードはサーキュレータによって導かれた反射マイクロ波を熱に変換する。周縁マイクロ波導入機構４３ａおよび中心マイクロ波導入機構４３ｂは、アンプ部４２から出力されたマイクロ波をマイクロ波放射部材５０に導入する。

（マイクロ波放射部材）
次に、マイクロ波放射部材５０について、図３及び図４を参照しながら説明する。図３は、マイクロ波放射部材５０の主要部を示す断面の一例を示す。図４は、図３のＡ−Ａ断面を示す。

マイクロ波放射部材５０は、マイクロ波出力部３０から出力され、マイクロ波伝送部４０を伝送したマイクロ波をチャンバ１内に放射する。マイクロ波放射部材５０は、金属製の本体部１２０を有する。本体部１２０は、アルミニウムや銅のような熱伝導率の高い金属から形成されることが好ましい。

本体部１２０は、周縁マイクロ波導入機構４３ａが配置される周縁部と、中心マイクロ波導入機構４３ｂが配置される中央部とを有している。周縁部はウェハＷの周縁領域に対応し、中央部はウェハの中央領域に対応する。

本体部１２０周縁部の上部（本体部１２０内のマイクロ波が導入される側）には、周縁マイクロ波導入機構４３ａの配置部分を含む周縁マイクロ波導入機構配置領域に沿って遅波材１２１が嵌め込まれている。遅波材１２１は、マイクロ波を透過させる誘電体から形成されている。遅波材１２１は、真空よりも大きい比誘電率を有しており、例えば、石英、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）等のセラミックス、ポリテトラフルオロエチレン等のフッ素系樹脂やポリイミド系樹脂により形成され得る。すなわち、真空中ではマイクロ波の波長が長くなることから、遅波材１２１は、比誘電率が真空よりも大きい材料で構成されることにより、マイクロ波の波長を短くしてスロット１２３を含むアンテナを小さくする機能を有する。

本体部１２０周縁部の下面（チャンバ１側表面）には、周縁マイクロ波導入機構配置領域に沿って設けられたリング状をなすマイクロ波透過部材１２２が嵌め込まれている。本体部１２０の遅波材１２１とマイクロ波透過部材１２２との間の部分には複数のスロット１２３および誘電体層１２４が上下に形成される。

マイクロ波透過部材１２２は、マイクロ波を透過する材料である誘電体材料で構成されており、リング状にチャンバ１側に露出し、周方向に均一な表面波プラズマを形成するための誘電体窓としての機能を有する。マイクロ波透過部材１２２は、遅波材１２１と同様、例えば、石英、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）等のセラミックス、ポリテトラフルオロエチレン等のフッ素系樹脂やポリイミド系樹脂により形成され得る。なお、マイクロ波透過部材１２２は、周方向に沿って複数に分割されていてもよい。

スロット１２３は、図３に示すように、本体部１２０の遅波材１２１の下面に接する位置から誘電体層１２４の上面まで達しており、周縁マイクロ波導入機構４３ａから伝送されたマイクロ波の放射特性を決定する。本体部１２０の遅波材１２１と誘電体層１２４との間の領域は、スロット１２３を含むスロットアンテナ部となっている。

マイクロ波伝送路４４の先端の底板には円柱部材８２が設けられている。スロット１２３は、周縁マイクロ波導入機構４３ａから円柱部材８２を通ってＴＥＭ波として伝送されてきたマイクロ波をＴＥ波にモード変換する機能を有する。そして、スロット１２３から放射されたマイクロ波は、ＴＥ波の単一モードで誘電体層１２４およびマイクロ波透過部材１２２を経て、チャンバ１内に放射される。

図３のＡ−Ａ断面を示す図４を参照すると、複数のスロット１２３は、本体部１２０の隔離部分１２０ａにより分離され、同一径の円周上に円弧状に均等に配置されている。スロット１２３の形状および配置によりマイクロ波の放射特性が決定されるが、このように複数の円弧状をなすスロット１２３が、全体形状が円周状をなすように設けられることにより、電界を均一に分散させることができる。

本実施形態では、図３及び図４に示すように、遅波材１２１の外周部には、遅波材１２１よりも比誘電率が低い誘電体の共振機構１２９が形成されている。本実施形態では、共振機構１２９の機能により、スロット１２３から放射されるマイクロ波の放射効率が高められる。共振機構１２９の機能については後述される。

図４では円弧状のスロット１２３を円周上に一列に１２個設けた例が示されているが、スロット１２３の形状および個数は、これに限らず、マイクロ波透過部材１２２のサイズおよびマイクロ波の波長に応じて適宜設定される。例えば、図５は、図３のＡ−Ａ断面の他の例を示す。図５では円弧状のスロット１２３を円周上に一列に６個設けた例が示されている。

スロット１２３内は真空であってもよいし、テフロン（登録商標）の誘電体で充填されていてもよい。スロット１２３に誘電体を充填することにより、マイクロ波の実効波長が短くなり、スロットの厚さを薄くできる。

一つのスロット１２３の円周方向（長手方向の）の長さは、電界強度を高くして良好な効率を得る観点からスロットλｇ／２が好ましい。ここで、λｇはマイクロ波の実効波長であり、以下の式（１）で示すことができる。

ε_ｓはスロット１２３に充填される誘電体の比誘電率であり、λは真空中のマイクロ波の波長である。また、λｃはカットオフ波長であり、ＴＥ０１モードで給電する場合、空洞共振器の長手方向の長さをａとして、
λ_ｃ＝２ａ
と表される。

円周方向に電界強度の均一性が高くなるように微調整する微調整成分δ（０を含む）を考慮すると、スロット１２３の円周方向の長さは、（λｇ／２）−δが好ましい。

なお、スロット１２３は、遅波材１２１およびマイクロ波透過部材１２２の径方向の中央に設けられているが、周縁マイクロ波導入機構４３ａは、径方向中央よりも内側に設けられている。これは、遅波材１２１の内周と外周の長さの違いを考慮して、内側と外側とで均等に電界を分散させるためである。

図４のＢ−Ｂ断面を示す図６を参照すると、誘電体層１２４が、スロット１２３の下部に一対一に対応して設けられている。図４の例では、１２個のスロット１２３のそれぞれに対して１２個の誘電体層１２４が設けられている。隣接する誘電体層１２４は金属製の本体部１２０の隔離部分１２０ａにより分離されている。誘電体層１２４内には、対応するスロット１２３から放射されるマイクロ波によって単一ループの磁場を形成させることができ、その下のマイクロ波透過部材１２２において磁場ループのカップリングが生じないようになっている。これにより、複数の表面波モードが出現することを防止することができ、単一の表面波モードを実現することができる。誘電体層１２４の周方向の長さは、複数の表面波モードの出現を防止する観点からはλｇ／２以下であることが好ましい。また、誘電体層１２４の厚さは、１〜５ｍｍが好ましい。

誘電体層１２４は空気（真空）であってもよく、誘電体セラミックスや樹脂等の誘電体材料であってもよい、誘電体材料としては、例えば、石英、セラミックス、ポリテトラフルオロエチレン等のフッ素系樹脂やポリイミド系樹脂を用いることができる。マイクロ波プラズマ処理装置１００が３００ｍｍウェハを処理し、マイクロ波の波長が８６０ＭＨｚ、遅波材１２１やマイクロ波透過部材１２２およびスロット１２３内の誘電体として比誘電率が１０程度のアルミナを用いる場合、誘電体層１２４として空気層（真空層）を好適に用いることができる。

図３に戻り、本体部１２０の中央部の上部には、中心マイクロ波導入機構４３ｂに対応する中心マイクロ波導入機構配置領域に円板状をなす遅波材１３１が嵌め込まれ、遅波材１３１に対応する部分に円板状をなすマイクロ波透過部材１３２が嵌め込まれている。そして、本体部１２０の遅波材１３１とマイクロ波透過部材１３２との間の部分は、スロット１３３を有するスロットアンテナ部となっている。スロット１３３の形状や大きさは、モードジャンプの発生を抑制し、かつ均一な電界強度が得られるように適宜調整される。例えば、スロット１３３はリング状に形成されてもよい。これにより、スロット間の継ぎ目が存在せず、均一な電界を形成することができ、モードジャンプも発生し難くなる。

スロット１３３内にもスロット１２３と同様、誘電体が充填されていることが好ましい。スロット１３３に充填される誘電体としては、スロット１２３に用いたものと同様のものを用いることができる。また、遅波材１３１およびマイクロ波透過部材１３２を構成する誘電体についても、上述した遅波材１２１およびマイクロ波透過部材１２２と同様のものを用いることができる。

本体部１２０の上面には、周縁マイクロ波導入機構配置領域と中心マイクロ波導入機構配置領域との間に、リング状の溝１２６が形成されている。これにより、周縁マイクロ波導入機構４３ａと中心マイクロ波導入機構４３ｂとの間のマイクロ波干渉を抑制することができる。

また、本体部１２０には、上述した第１ガス導入部２１が設けられている。第１ガス導入部２１は、周縁マイクロ波導入機構配置領域を有する周縁部と中心マイクロ波導入機構配置領域を有する中央部との間に環状をなし、同心状に形成された外側ガス拡散空間１４１と内側ガス拡散空間１４２とを有している。外側ガス拡散空間１４１の上面には、本体部１２０の上面から繋がるガス導入孔１４３が形成されており、外側ガス拡散空間１４１の下面には、本体部１２０の下面に至る複数のガス孔１４４が形成されている。一方、内側ガス拡散空間１４２の上面には、本体部１２０の上面から繋がるガス導入孔１４５が形成されており、内側ガス拡散空間１４２の下面には、本体部１２０の下面に至る複数のガス孔１４６が形成されている。ガス導入孔１４３および１４５には、第１ガス供給源２２からの第１のガスを供給するためのガス供給配管１１１が接続されている。

（マイクロ波電力の分配）
図７は、マイクロ波放射部材５０の周縁部におけるスロット１２３の配置とマイクロ波電力の分配を示す。図７に示すように、周縁マイクロ波導入機構４３ａは、それぞれ２枚の遅波材１２１の間に跨るようにして配置されている。すなわち、図４の例では、１２枚の遅波材１２１は、それぞれ６つの周縁マイクロ波導入機構４３ａに対応する位置から両側に延びるように配置されている。図５の例では、６枚の遅波材１２１は、それぞれ３つの周縁マイクロ波導入機構４３ａに対応する位置から両側に延びるように配置されている。

このように、周縁マイクロ波導入機構４３ａの直下位置には本体部１２０の隔離部分１２０ａが配置されているため、周縁マイクロ波導入機構４３ａを伝送されてきたマイクロ波電力は、隔離部分１２０ａで分離され、その両側の遅波材１２１に等分配される。これにより、電力が等配分されたマイクロ波が各スロット１２３から放射される。

周縁マイクロ波導入機構４３ａからＴＥＭ波として伝送されてきたマイクロ波は、スロット１２３にてＴＥ波にモード変換され、誘電体層１２４及びマイクロ波透過部材１２２を経て、チャンバ１内に放射される。

（誘電体層）
円弧上に設けられた複数のスロット１２３の直下にマイクロ波透過部材１２２を配置した場合、図８（ａ）に示すように、各スロット１２３から放射されたマイクロ波により発生する磁場Ｈは、マイクロ波透過部材１２２でカップリングする場合がある。マイクロ波透過部材１２２で磁場がカップリングしたり、しなかったりすることで、複数の表面波モードが出現する。複数の表面波モードが出現すると、プラズマ処理の際にモードジャンプが生じることがあり、プラズマが安定せず、ウェハＷに均一なプラズマ処理を施す際の妨げとなる。

表面波モードの出現確率は、マイクロ波透過部材因子（形状、材料）とスロット因子（形状、寸法）とで決まり、これらを調整することで単一モードを実現することができる。しかし、マイクロ波透過部材は予め設計されており、これを変更することは困難である。このため、スロット因子を調整することが有効である。

そこで、本実施形態では、図８（ｂ）に示すように、複数のスロット１２３の下に、各スロット１２３に対応して複数の誘電体層１２４を互いに分離して設ける。これにより、各スロット１２３から放射されたマイクロ波により各誘電体層１２４内に単一ループの磁場を発生させることができる。これにより、マイクロ波透過部材１２２内に誘電体層１２４の磁場ループに対応する磁場ループが形成され、マイクロ波透過部材１２２内に磁場カップリングが生じることを防止することができる（デカップリング）。このため、マイクロ波透過部材１２２内で磁場ループが生じたり生じなかったりすることによる複数の表面波モードが出現することを防止することができ、モードジャンプが生じない安定したプラズマ処理を実現することができる。

この場合に、誘電体層１２４に定在波の「はら」または「ふし」が複数存在すると複数のモードが出やすくなるため、誘電体層１２４の周方向の長さはλｇ／２以下であることが好ましい。また、複数のスロット１２３を円周状に配置しているので、マイクロ波を円周状に放射することができ、周方向のプラズマの均一性を高めることができる。

（共振機構）
次に、共振機構１２９について、図９及び図１０を参照しながら説明する。図９は、比誘電率の異なる誘電体を透過するマイクロ波の波長を説明するための図である。図１０は、一実施形態に係る共振機構１２９とマイクロ波の放射効率との関係を説明するための図である。

本実施形態では、遅波材１２１はアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）で形成され、共振機構１２９は空気層となっている。共振機構１２９には、テフロン（登録商標）が充填されていてもよい。共振機構１２９は、遅波材１２１を形成する誘電体よりも低い比誘電率を有する誘電体であればよい。

図９に示すように、比誘電率が異なる二つの誘電体を隣接したとき、二つの誘電体内を伝播するマイクロ波の波長は上記式（１）にて表される。

本実施形態では、ε_ｓはアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）の比誘電率を示す。本実施形態では、遅波材１２１はアルミナにより形成されており、遅波材１２１におけるマイクロ波の実効波長λｇは、共振機構１２９におけるマイクロ波の実効波長λよりも短くなる。

図１０（ａ）には、遅波材１２１の外周部に共振機構１２９の空気層がないときに、遅波材１２１を伝播するマイクロ波により形成される磁場Ｈの一例を模式的に示す。磁場Ｈは金属表面に形成されるため、遅波材１２１の両端部の磁場Ｈが最も強くなり、遅波材１２１の中央の磁場Ｈが最も弱くなる。

その際、遅波材１２１の中央付近に形成されたスロット１２３の長手方向は、磁場Ｈの方向に揃えて形成され、マイクロ波を放射できる。しかし、遅波材１２１の中央の磁場Ｈの強度Ｈ_１が、磁場Ｈの強度の最大値と比べて弱いためにスロット１２３から放射されるマイクロ波の放射効率は、最大値と比較すると低くなっている。

これに対して、スロット１２３を遅波材１２１の端部に形成すれば、マイクロ波の放射効率を高くすることができる。しかしながら、そうすると、複数の表面波モードが発生し、単一の表面波モードが得られなくなる。

これに対して、図１０（ｂ）には、遅波材１２１の外周部に共振機構１２９の空気層があるときのマイクロ波により形成される磁場Ｈの一例を模式的に示す。共振機構１２９が存在するために、スロット１２３の位置における磁場Ｈの強度Ｈ_２（＞Ｈ_１）が高くなっている。つまり、遅波材１２１の外周部に共振機構１２９を形成することによって、遅波材１２１の中央付近に形成されたスロット１２３から放射されるマイクロ波の放射効率を高めることができる。

本実施形態における共振機構１２９は、遅波材１２１よりも低い比誘電率の誘電体を使用する。これに対して、遅波材１２１を単に共振機構１２９の位置まで広げることも考えらえる。しかしながら、このように遅波材１２１を単に広げると、遅波材１２１の幅が広くなり、複数の表面波モードが発生する場合がある。このため、共振機構１２９は、遅波材１２１と異なる比誘電率の誘電体を配置する必要がある。

また、共振機構１２９を遅波材１２１の比誘電率よりも高い比誘電率を持つ誘電体で形成すると、共振機構１２９におけるマイクロ波の実効波長λが遅波材１２１におけるマイクロ波の実効波長λｇよりも短くなる。この場合、共振機構１２９において新たな表面波モードが発生する場合があり、単一の表面波モードに制御することが困難になるおそれがある。よって、本実施形態では、共振機構１２９には、遅波板１２１よりも低い比誘電率の誘電体を配置する。これにより、表面波モードを単一にし、かつ、マイクロ波の放射効率を高めることができる。

また、共振機構１２９におけるマイクロ波の実効波長λが遅波材１２１におけるマイクロ波の実効波長λｇよりも短い場合、遅波板１２１の組み立て時に機械加工上生じ得る、共振機構１２９の幅の誤差に対して、マイクロ波の実効波長λが短いためにマイクロ波の伝播経路としては大きな誤差となる。この結果、機械加工上生じ得る共振機構１２９の寸法誤差により、スロット１２３における放射効率を向上させるための精度が得られない場合がある。

したがって、本実施形態では、共振機構１２９は、遅波材１２１の比誘電率よりも低い比誘電率を持つ誘電体で形成する。これにより、共振機構１２９におけるマイクロ波の実効波長λが遅波材１２１におけるマイクロ波の実効波長λｇよりも伸びる。この結果、本実施形態では、共振機構１２９に、機械加工上例えば１ｍｍ程度の寸法誤差が生じた場合においても、スロット１２３における放射効率を向上させることができる。

（放射効率）
本実施形態に係る共振機構１２９によるマイクロ波の放射効率について、図１１を参照しながら説明する。図１１（ａ）は、本実施形態に係る共振機構１２９が遅波材１２１の外周部に形成されている場合に、スロット１２３から放射されるマイクロ波の磁場の強さの一例を示す。図１１（ｂ）は、本実施形態に係る共振機構１２９が遅波材１２１の外周部に形成されていない場合に、スロット１２３から放射されるマイクロ波の磁場の強さの一例を示す。

この結果によれば、共振機構１２９が遅波材１２１の外周部に形成されている場合、共振機構１２９が遅波材１２１の外周部に形成されていない場合よりも、スロット１２３部分の磁場が強くなっていることがわかる。これにより、本実施形態に係る共振機構１２９によれば、マイクロ波の放射効率を高めることができることが証明された。

＜プラズマ処理装置の動作＞
次に、以上のように構成されるマイクロ波プラズマ処理装置１００における動作について説明する。

まず、ウェハＷをチャンバ１内に搬入し、載置台１１上に載置する。そして、第１ガス供給源２２から例えばＡｒガス等のプラズマ生成ガスや高エネルギーで分解させたいガスが第１のガスとして供給される。第１のガスは、マイクロ波放射部材５０の第１ガス導入部２１からチャンバ１内へ導入する。

マイクロ波出力部３０からマイクロ波伝送部４０の複数のアンプ部４２および複数のマイクロ波導入機構４３ａ、４３ｂを伝送されたマイクロ波は、マイクロ波放射部材５０を介してチャンバ１内に放射される。天井部の表面に放射されたマイクロ波の高い電界エネルギーにより第１のガスがプラズマ化され、表面波プラズマが生成される。

第２ガス供給源２８から極力分解せずに供給したい処理ガスが第２のガスとして供給される。第２のガスは、第２ガス導入部２３を介してチャンバ１内に導入される。第２ガス導入部から導入された第２のガスは、第１のガスのプラズマにより励起される。このとき、第２のガス導入位置はマイクロ波放射部材５０の表面から離れた、よりエネルギーが低い位置であるため、第２のガスは不要な分解が抑制された状態で励起される。そして、第１のガスおよび第２のガスのプラズマによりウェハＷにプラズマ処理、例えば成膜処理やエッチング処理を施す。

このとき、６本の周縁マイクロ波導入機構４３ａへは、マイクロ波出力部３０のマイクロ波発振器３２から発振され、アンプ３３で増幅された後、分配器３４により複数に分配され、アンプ部４２を経たマイクロ波電力が給電される。これら周縁マイクロ波導入機構４３ａに給電されたマイクロ波電力は、マイクロ波伝送路４４を伝送され、マイクロ波放射部材５０の周縁部に導入される。その際にスラグ６１によりインピーダンスが自動整合され、電力反射が実質的にない状態でマイクロ波が導入される。導入されたマイクロ波は、遅波材１２１を透過し、スロットアンテナ部のスロット１２３およびマイクロ波透過部材１２２を介してチャンバ１内に放射され、マイクロ波透過部材１２２および本体部１２０の下表面の対応部分に表面波が形成され、この表面波によりチャンバ１内のマイクロ波放射部材５０の直下部分に表面波プラズマが生成される。

このとき、円弧状の１２枚の遅波材１２１が周縁マイクロ波導入機構配置領域に沿って全体がリング状をなすように配置される。１２枚の遅波材１２１は、本体部１２０の一部をなす隔離部分１２０ａで分離されており、周縁マイクロ波導入機構４３ａは、それぞれ２枚の遅波材１２１の間に跨るようにして配置されている。すなわち、１２枚の遅波材１２１は、それぞれ６つの周縁マイクロ波導入機構４３ａに対応する位置から両側に延びるように配置されている。このように、周縁マイクロ波導入機構４３ａの直下位置には本体部１２０の隔離部分１２０ａが配置されている。このため、周縁マイクロ波導入機構４３ａを伝送されてきたマイクロ波は、隔離部分１２０ａで分離され、通常マイクロ波電界が大きくなる周縁マイクロ波導入機構４３ａ直下部分の電界強度が大きくならずに、その両側の遅波材１２１に等分配される。

さらに、遅波材１２１の外周部に共振機構１２９を形成することによって、遅波材１２１の中央付近に形成されたスロット１２３から放射されるマイクロ波の放射効率を高めることができる。

そして、周縁マイクロ波導入機構配置領域に沿って全体形状が円周状をなすように設けられたスロット１２３からマイクロ波が放射される。スロット１２３の下面にリング状にマイクロ波透過部材１２２が設けられているので、遅波材１２１で均一に分配されたマイクロ波電力は、スロット１２３で均一に放射され、さらにマイクロ波透過部材１２２で円周状に広げることができる。このため、マイクロ波透過部材１２２直下では周縁マイクロ波導入機構配置領域に沿って均一なマイクロ波電界を形成することができ、チャンバ１内に周方向に均一な表面波プラズマを形成することができる。

なお、このようにしてマイクロ波電力を周方向に広げることができるので、周縁マイクロ波導入機構４３ａを６つから３つに少なくすることができ、装置コストを低減することが可能となる。

また、円周状に配置されたスロット１２３の個数や形状・配置等を調整することにより、表面波モードの数を少なくすることができ、スロットの個数や形状・配置を最適化することによりモード数を２つ、さらには１つにすることが可能である。このように表面波モードの数を低減することにより、モードジャンプが少ない安定したプラズマ処理を行うことができる。また、このようにスロット１２３の個数や形状・配置等を調整することにより、一つの周縁マイクロ波導入機構４３ａから他の周縁マイクロ波導入機構４３ａへマイクロ波が侵入するマイクロ波の干渉も抑制することができる。

さらに、本体部１２０の上面には、周縁マイクロ波導入機構配置領域と中心マイクロ波導入機構配置領域との間に、リング状の溝１２６が形成されている。これにより、周縁マイクロ波導入機構４３ａと中心マイクロ波導入機構４３ｂとの間のマイクロ波干渉およびモードジャンプを抑制することができる。

また、マイクロ波放射部材５０の中央部には、中心マイクロ波導入機構４３ｂからマイクロ波が導入される。中心マイクロ波導入機構４３ｂから導入されたマイクロ波は、遅波材１３１を透過し、スロットアンテナ部のスロット１３３およびマイクロ波透過部材１３２を介してチャンバ１内に放射され、チャンバ１内の中央部にも表面波プラズマが生成される。このため、チャンバ１内のウェハ配置領域全体に均一なプラズマを形成することができる。

また、マイクロ波放射部材５０に第１ガス導入部２１を設け、第１ガス供給源２２から第１のガスを、マイクロ波が放射されるチャンバ１の上面領域に供給する。これにより、第１のガスを高いエネルギーで励起させ、ガスを分解させて表面波プラズマを形成することができる。また、第１ガス導入部２１より低い位置に第２ガス導入部２３を設けて第２のガスを供給することにより、第２のガスはより低いエネルギーによって、不要な分解が抑制された状態でプラズマ化させることができる。これにより、要求されるプラズマ処理に応じて好ましいプラズマ状態を形成することができる。

（変形例１に係るマイクロ波プラズマ処理装置）
次に、上記に説明した共振機構１２９を適用した、一実施形態の変形例１に係るマイクロ波プラズマ処理装置１００について、図１２を参照しながら説明する。図１２は、本実施形態の変形例１に係るマイクロ波プラズマ処理装置１００の縦断面の一例を示す。変形例１に係るマイクロ波プラズマ処理装置１００では、図１に示すマイクロ波プラズマ処理装置１００と比較して、第２ガス導入部２３の機構のみが異なる。よって、ここでは、変形例１に係る第２ガス導入部２３の機構のみについて説明する。

本変形例では、マイクロ波放射部材５０にリング状のシャワー構造を有する第２ガス導入部２３が設けられている。第２ガス導入部２３は、天井部よりも下方に伸びる複数のノズル２３ａが均等に配置されている。第２ガス導入部２３には、ガス供給配管１１２を介して第２ガス供給源２８が接続されている。

第２ガス供給源２８からは、成膜処理やエッチング処理等のプラズマ処理の際に、極力分解させずに供給したい処理ガス、例えばＳｉＨ_４ガスやＣ_５Ｆ_８ガス等の第２のガスが供給されるようになっている。第２のガスは、ガス供給配管１１２を介してリング状のシャワー構造からウェハＷ側に伸びるノズル２３ａを通り、チャンバ１の天井部より低い位置に供給される。変形例に係る第２ガス導入部２３は、第１のガスを供給する第１の高さよりも低い第２の高さで複数のガス孔から第２ガスを供給する第２のガスシャワーヘッドの一例である。

変形例１においても、第１ガス導入部２１より低い位置に第２のガスを供給することにより、第２のガスはより低いエネルギーによって、不要な分解が抑制された状態でプラズマ化させることができる。これにより、要求されるプラズマ処理に応じて好ましいプラズマ状態を形成することができる。

（変形例２に係るマイクロ波プラズマ処理装置）
次に、一実施形態の変形例２に係るマイクロ波プラズマ処理装置１００について、図１３を参照しながら説明する。図１３は、本実施形態の変形例２に係るマイクロ波プラズマ処理装置１００の縦断面の一例を示す。

変形例２のマイクロ波プラズマ処理装置１００では、中心マイクロ波導入機構４３ｂは設けられておらず、周縁マイクロ波導入機構４３ａの配置領域を含む環状のマイクロ波放射部材５０が設けられている。その内側の中央部分には、絶縁部材１５１を介してウェハＷとほぼ同等の大きさを有する導電性をなすシャワーヘッド１５０が設けられている。

シャワーヘッド１５０は、円板状に形成されたガス拡散空間１５２と、ガス拡散空間１５２からチャンバ１内に臨むように形成された多数のガス孔１５３と、ガス導入孔１５４とを有している。ガス導入孔１５４にはガス供給配管１５８を介してガス供給源１５７が接続されている。シャワーヘッド１５０には、整合器１５５を介してプラズマ生成用の高周波電源１５６が電気的に接続されている。載置台１１は導電性部分を有しており、シャワーヘッド１５０の対向電極として機能する。ガス供給源１５７からガス供給配管１５８およびシャワーヘッド１５０を介してチャンバ１内にプラズマ処理に必要なガスが供給される。高周波電源１５６からシャワーヘッド１５０に高周波電力が供給されることにより、シャワーヘッド１５０と載置台１１の間に高周波電界が形成され、ウェハＷの直上の空間に容量結合プラズマが形成される。

かかる構成のマイクロ波プラズマ処理装置１００は、中央部分の構成が、ウェハＷに対しプラズマエッチングを行う平行平板型のプラズマエッチング装置と同様である。よって、例えばウェハの周縁のプラズマ密度調整をマイクロ波を用いた表面波プラズマで行うプラズマエッチング装置として用いることができる。また、中央部にプラズマを生成する機構を設けないことも可能である。

以上に説明したように、本実施形態及び変形例１，２に係るマイクロ波プラズマ処理装置１００によれば、遅波材１２１の外周部に共振機構１２９が形成される。これにより、表面波モードを単一にしつつ、マイクロ波の放射効率を高め、均一なプラズマを生成することができる。なお、共振機構１２９は、遅波材１２１の外周部に形成される場合に限らない。共振機構１２９は、遅波材１２１の外周部及び内周部の少なくともいずれかに形成されてもよい。

以上、マイクロ波プラズマ処理装置を上記実施形態により説明したが、本発明に係るマイクロ波プラズマ処理装置は上記実施形態及び変形例１，２に限定されるものではなく、本発明の範囲内で種々の変形及び改良が可能である。上記実施形態及び変形例１，２に記載された事項は、矛盾しない範囲で組み合わせることができる。

例えば、上記実施形態及び変形例１，２では、マイクロ波出力部３０やマイクロ波伝送部４０の構成等は、上記実施形態に限定されるものではなく、例えば、スロットアンテナ部から放射されるマイクロ波の指向性制御を行ったり円偏波にしたりする必要がない場合には、位相器は不要である。

さらに、上記実施形態では、マイクロ波プラズマ源２をマイクロ波放射部材５０に導入する際に複数のマイクロ波導入機構を用いた例について説明した。しかしながら、本発明は、円周状に複数配置されたスロットからマイクロ波を放射して表面波プラズマを生成する際に単一の表面波モードを得られればよく、マイクロ波導入機構は一つであってもよく、マイクロ波の導入態様も限定されない。また、中央部にプラズマを生成する機構を設けないことも可能である。

また、上記実施形態においては、プラズマ処理装置として成膜装置およびエッチング装置を例示したが、これに限らず、酸化処理および窒化処理を含む酸窒化膜形成処理、アッシング処理等の他のプラズマ処理にも用いることができる。

また、基板はウェハＷに限定されず、ＬＣＤ（液晶ディスプレイ）用基板に代表されるＦＰＤ（フラットパネルディスプレイ）基板や、セラミックス基板等の他の基板であってもよい。

１ チャンバ
２ マイクロ波プラズマ源
３ 制御装置
１１ 載置台
２１ 第１ガス導入部
２２ 第１ガス供給源
２３ 第２ガス導入部
２８ 第２ガス供給源
３０ マイクロ波出力部
４０ マイクロ波伝送部
４３ａ 周縁マイクロ波導入機構
４３ｂ 中心マイクロ波導入機構
４４ マイクロ波伝送路
５０ マイクロ波放射部材
５２ 外側導体
５３ 内側導体
６１ スラグ
１００ マイクロ波プラズマ処理装置
１２０ 本体部
１２１ 遅波材
１２２ マイクロ波透過部材
１２３ スロット
１２４ 誘電体層
１２９ 共振機構
１４０ インピーダンス調整部材

Claims (5)

1. 基板を収容するチャンバと、前記チャンバ内にマイクロ波を放射するマイクロ波放射部材とを有し、表面波プラズマによって基板にプラズマ処理を施すマイクロ波プラズマ処理装置であって、
   前記マイクロ波放射部材は、
   金属の本体部と、
   前記本体部内のマイクロ波が導入される側に形成され、マイクロ波を透過させる誘電体の遅波材と、
   前記本体部内の前記遅波材の外周部及び内周部の少なくともいずれかに配置され、前記遅波材よりも比誘電率が低い誘電体の共振機構と、
   前記遅波材の下面にて長手方向がマイクロ波の磁場方向と揃うように形成され、前記遅波材及び前記共振機構を伝播したマイクロ波を放射する複数のスロットと、
   を有するマイクロ波プラズマ処理装置。
2. 前記共振機構の内部は、空気又はテフロン（登録商標）により充填されている、
   請求項１に記載のマイクロ波プラズマ処理装置。
3. 前記共振機構は、前記遅波材の外周部に設けられる、
   請求項１又は２に記載のマイクロ波プラズマ処理装置。
4. 前記共振機構の厚さは、前記遅波材の厚さよりも薄い、
   請求項１〜３のいずれか一項に記載のマイクロ波プラズマ処理装置。
5. ガスシャワーヘッドから前記チャンバ内にガスを供給するガス供給機構を有し、
   前記ガスシャワーヘッドは、
   前記マイクロ波放射部材に形成された複数のガス孔から第１の高さで第１ガスを供給する第１のガスシャワーヘッドと、
   複数のノズルを有し、前記第１ガスを供給する第１の高さよりも低い第２の高さで前記複数のノズルから第２ガスを供給する第２のガスシャワーヘッドと、を有する、
   請求項１〜４のいずれか一項に記載のマイクロ波プラズマ処理装置。

Images