JP6749258B2 - 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（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、マイクロ波を複数に分配し、上記のようなマイクロ波放射アンテナである平面状のスロットアンテナを有するマイクロ波放射部を複数設け、スロットアンテナから放射されたマイクロ波をチャンバー内に導きチャンバー内でマイクロ波を空間合成してプラズマを生成するプラズマ処理装置も提案されている（特許文献２）。
このようなマイクロ波プラズマ装置においては、プラズマの着火不良が生じると、適正な処理を行うことができないばかりか、マイクロ波伝播経路の部材の接続部分等に異常放電が生じて部材の破損が生じるおそれがあるため、着火不良を検知する安全対策が必要である。
このような安全対策としては、マイクロ波プラズマ源の内部で検知・調整されるパラメータ（例えば進行波と反射波の比や、インピーダンス整合を行うチューナのポジション等）の閾値を監視することによって、異常反射などが発生したときにマイクロ波のパワーを遮断するものや、特許文献２に記載されているように、チャンバー内を発光センサ（光量や色調センサ）でセンシングすることによってマイクロ波パワーＯＮ時の着火確認を行い、正常に着火しなければ同様にマイクロ波のパワーを遮断するものが主流である。
一方、ＲＬＳＡ（登録商標）マイクロ波プラズマ処理装置は、真空容器内に配置された回転テーブル上に複数の半導体ウエハを載置し、回転テーブルを回転させながら、ウエハが、原料ガス（プリカーサ）を供給する領域と、反応ガスのプラズマを供給する領域を交互に通過するようにして、ウエハに原子層堆積法（ＡＬＤ）による成膜を行うセミバッチ式の成膜装置にも用いられている（例えば、特許文献３）。具体的には、回転テーブルの上方側の円形の空間を、原料ガス（プリカーサ）を供給する第１領域と、反応ガスのプラズマを供給する第２領域に分け、第２領域を第１領域よりも広くして、第２領域に反応ガスをプラズマ化したり還元処理を行ったりするための３つのマイクロ波プラズマ処理ユニット（マイクロ波プラズマ処理装置）を設けている。これにより、例えば、ＳｉＮ膜のような窒化膜を成膜する際に、窒化を促進して良質な膜を形成することができる。
しかし、特許文献３に記載されたような成膜装置の場合、３つのマイクロ波プラズマ処理ユニットが隣接して設けられているため、一つのユニットのプラズマ発光センサが、他のユニットで発生したプラズマの発光を誤検知してしまうおそれがあり、また、スペース上発光センサを設けること自体が難しい。さらに、このような成膜装置は狭いスペースで効率的にウエハを加熱するために、ウエハを加熱するヒーターとして赤外線を出すカーボンワイヤーヒーターが用いられるため、発光センサを設けることができたとしても、プラズマの発光の検出が困難である。
このため、特許文献３に記載された成膜装置に用いられるようなマイクロ波ユニット（マイクロ波プラズマ処理装置）では、発光センサを用いず、マイクロ波ユニット内部で検知・調整するパラメータの閾値監視のみで、着火不良を検知する安全対策を行っている。
特開２０００−２９４５５０号公報 特開２０１３−１７１８４７号公報 特開２０１６−１１５８１４号公報
しかしながら、閾値の監視のみで発光センサを用いない場合には、アンテナ部で予期せずマッチングが生じた際や、微小放電がスロットアンテナに至るマイクロ波伝播経路内で発生した際には、マイクロ波ユニット内部で検知・調整されるパラメータに異常が現れない場合があり、事前に着火不良を発見することは難しい。このため、プラズマ着火時に突如着火不良が発生して、アンテナ部を構成する部材の損傷や、処理中のウエハへの損害、装置復旧のためのダウンタイムが発生してしまうことを完全に防止することができない。
したがって、本発明は、マイクロ波プラズマの着火不良の予兆を確実に検出して着火不良を未然に防止する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、被処理基板を処理する処理空間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、マイクロ波を発生させるマイクロ波発生部と、前記マイクロ波発生部で発生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処理空間内に放射する、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して前記処理空間に供給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、前記スロットアンテナに至るマイクロ波伝播経路の所定位置の温度を検出する温度検出器と、前記温度検出器が検出した温度が入力され、その温度に基づいて前記アンテナ部での予期せぬ箇所でのマイクロ波のマッチングまたは前記マイクロ波伝播経路内での微小放電に基づく前記マイクロ波伝播経路の異常を検出して前記マイクロ波プラズマの着火不良を未然に防止する異常検出部と、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、被処理基板を処理する処理空間を画成する処理容器と、マイクロ波を発生させるマイクロ波発生部と、前記マイクロ波発生部で発生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処理空間に放射する、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して前記処理空間に供給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、前記スロットアンテナに至るマイクロ波伝播経路の所定位置の温度を検出する温度検出器と、前記温度検出器が検出した温度が入力され、その温度に基づいて前記アンテナ部での予期せぬ箇所でのマイクロ波のマッチングまたは前記マイクロ波伝播経路内での微小放電に基づく前記マイクロ波伝播経路の異常を検出して前記マイクロ波プラズマの着火不良を未然に防止する異常検出部と、前記処理空間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、前記処理空間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。
上記第１の観点および第２の観点において、前記導波路として、前記アンテナ部のアンテナにマイクロ波を伝播する同軸導波管と、前記マイクロ波発生部からマイクロ波を伝播する導波管と、前記同軸導波管と前記導波管を接続する接続部とを有し、前記同軸導波管の内側導体の下に、前記スロットアンテナに接続されるコネクタおよび前記コネクタの下部を覆うキャップを有するものを用いることができる。
前記温度検出器は、前記同軸導波管、前記コネクタ、または前記キャップに対応する位置に設けられることが好ましい。
前記異常検出部は、前記温度検出器が検出する検出温度の所定の閾値が設定され、前記温度検出器で検出された温度が前記閾値を超えたときに異常と判定し、マイクロ波伝播経路の部材の安全を確保するための指令を発する構成とすることができる。
前記異常検出部は、前記所定の閾値として、第１の閾値と、前記第１の閾値よりも高い第２の閾値が設定され、前記温度検出器で検出された温度が前記第１の閾値を超えた場合に警告を発する指令を出力し、前記温度検出器で検出された温度が前記第２の閾値を超えた場合に警報を発するとともにプラズマを停止する指令を出力する構成とすることができる。
本発明の第３の観点は、被処理基板を処理する処理空間を画成する処理容器と、マイクロ波を発生させるマイクロ波発生部と、前記マイクロ波発生部で発生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処理空間に放射する、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して前記処理空間に供給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、前記処理空間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、前記処理空間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、前記プラズマ処理のためのガスを前記処理空間に供給しつつ、前記導波路および前記アンテナ部を介して前記処理空間にマイクロ波を放射してマイクロ波プラズマを生成する際に、前記スロットアンテナに至るマイクロ波伝播経路の所定位置の温度を検出し、その温度に基づいて前記アンテナ部での予期せぬ箇所でのマイクロ波のマッチングまたは前記マイクロ波伝播経路内での微小放電に基づく前記マイクロ波伝播経路の異常を検出して前記マイクロ波プラズマの着火不良を未然に防止することを特徴とするプラズマ処理方法を提供する。
本発明によれば、スロットアンテナに至るマイクロ波伝播経路において、接触不良などによる予期せぬ箇所でのマッチングや、軽度な放電が発生した際の温度上昇を検出することができるので、着火不良を未然に防止することができる。
本発明の一実施形態のマイクロ波プラズマ処理装置が適用される成膜装置の一例を示す横断面図である。 図１の成膜装置のＡ−Ａ′線による縦断面図である。 図１の成膜装置の平面図である。 本発明の一実施形態のマイクロ波プラズマ処理装置を示す断面図である。 図４のマイクロ波プラズマ処理装置の同軸導波管、コネクタ、キャップと熱電対の配置位置を示す断面図である。 実験例における同軸導波管の下に設けられたコネクタ、キャップ近傍の温度変化を示す図である。
以下、添付図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
＜マイクロ波プラズマ処理装置が適用された成膜装置＞
最初に、本発明の一実施形態に係るマイクロ波プラズマ装置が適用された成膜装置の一例について説明する。
成膜装置は、原料ガスと反応ガスを交互に供給するとともに、反応ガスをプラズマ化する、プラズマ励起原子層堆積法（Plasma Enhanced Atomic Layer Deposition；ＰＥ−ＡＬＤ）により所定の膜を成膜するＰＥ−ＡＬＤ装置として構成される。
図１は本例に係る成膜装置の横断面図、図２は図１の成膜装置のＡ−Ａ′線による縦断面図、図３は本例に係る成膜装置の平面図である。
図１〜３に示すように、成膜装置は、成膜処理が行われる処理室を画成し、真空に保持される処理容器１１を有している。この処理容器１１内には複数のウエハ載置領域２１が形成された回転テーブル２が配置されている。処理容器１１内の回転テーブル２が通過する部分の上方側空間は、ウエハＷに、原料ガス、例えばジクロロシラン（ＤＣＳ；ＳｉＨ２Ｃｌ２）のようなＳｉ原料ガスを吸着させる吸着領域Ｒ１と、ウエハＷに吸着した原料ガスと所定の反応を生じさせる反応ガスによる反応処理、例えば窒化処理や還元処理を施す反応領域Ｒ２とを有している。
処理容器１１内の吸着領域Ｒ１の上部には、吸着領域Ｒ１に原料ガスを導入するための原料ガス導入ユニット３を有しており、原料ガス導入ユニット３には、原料ガス供給源（図示せず）が配管を介して接続されている。また、原料ガス導入ユニット３は、外周部分に、原料ガスを排気する排気領域、および原料ガスと反応領域Ｒ２の反応ガスとを分離するための、例えばＡｒガス等の不活性ガスからなる分離ガスを供給する分離ガス供給領域（いずれも図示せず）を有している。
また、反応領域Ｒ２には、処理ガス供給源（図１〜３では図示せず）からプラズマによる反応処理を行うための処理ガスが配管を介して供給されるようになっている。処理ガスとしては、Ａｒガス等のプラズマ生成ガス、および原料ガスと反応する反応ガス、例えばＮＨ３ガスやＮ２ガス等の窒化ガスを挙げることができる。
反応領域Ｒ２は、第１領域Ｒ２−１、第２領域Ｒ２−２、第３領域Ｒ２−３に分かれており、これら領域には、それぞれマイクロ波プラズマ処理装置１００Ａ、１００Ｂ、１００Ｃが設けられている。マイクロ波プラズマ処理装置１００Ａ、１００Ｂ、１００Ｃは、それぞれマイクロ波プラズマ源６Ａ、６Ｂ、６Ｃを有している。図２にマイクロ波生成部６Ｂを含むマイクロ波プラズマ処理装置１００Ｂの構成が示されているが、マイクロ波プラズマ処理装置の構成については後で詳細に説明する。
図２に示すように、処理容器１１は、処理容器１１の側壁及び底部をなす容器本体１３と、この容器本体１３の上面側の開口を気密に塞ぐ天板１２とにより構成され、概ね円形の扁平な容器である。処理容器１１は、例えばアルミニウムなどの金属から構成され、処理容器１１の内面には、陽極酸化処理またはセラミックス溶射処理等の耐プラズマ処理が施される。
回転テーブル２の表面には、例えば処理容器１１と同様の耐プラズマ処理が施されている。回転テーブル２の中心部には鉛直下方へ伸びる回転軸１４が設けられ、回転軸１４の下端部には、回転テーブル２を回転させるための回転駆動機構１５が設けられている。
回転テーブル２の上面には、図１に示すように、６つのウエハ載置領域２１が周方向に均等に設けられている。各ウエハ載置領域２１は、ウエハＷよりもやや大きな直径を有する円形の凹部として構成されている。なお、ウエハ載置領域２１の数は６つに限るものではない。
図２に示すように、回転テーブル２の下方に位置する容器本体１３の底面には、前記回転テーブル２の周方向に沿って、円環状の環状溝部４５が形成されている。この環状溝部４５内には、ウエハ載置領域２１の配置領域に対応するようにヒーター４６が設けられている。ヒーター４６により、回転テーブル２上のウエハＷが所定の温度に加熱される。ヒーター４６としては、例えばカーボンワイヤーヒーターが用いられる。また、環状溝部４５の上面の開口は、円環状の板部材であるヒーターカバー４７によって塞がれている。
図１および図３に示すように、処理容器１１の側壁面には、ウエハＷを搬入出するための搬入出部１０１が設けられている。搬入出部１０１はゲートバルブにより開閉可能となっている。この搬入出部１０１を介して、外部の搬送機構に保持されたウエハＷが処理容器１１内に搬入される。
上述の構成を備えた回転テーブル２において、回転軸１４により回転テーブル２を回転させると、回転中心の周囲を各ウエハ載置領域２１が公転する。そのときウエハ載置領域２１は一点鎖線で示す円環状の公転領域ＲＡを通過する。
図１に示すように、成膜装置は全体制御部８を有している。全体制御部８は成膜装置の各構成部、例えば、回転テーブル２を回転させる回転駆動機構１５や、原料ガス供給部、分離ガス供給部、窒化処理ガス供給部、マイクロ波プラズマ源６Ａ〜６Ｃのマイクロ波発生部６９の各エレメント等を制御するようになっている。全体制御部８は、ＣＰＵ（コンピュータ）を有し、上記制御を行う主制御部と、入力装置、出力装置、表示装置、および記憶装置を有している。記憶装置には、成膜装置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、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成膜装置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＞
次に、反応領域Ｒ２のマイクロ波プラズマ処理装置について説明する。
上述したように、反応領域Ｒ２は、第１〜第３の領域Ｒ２−１〜Ｒ２−３を有しており、これら領域には、それぞれマイクロ波プラズマ処理装置１００Ａ、１００Ｂ、１００Ｃが設けられており、これらマイクロ波プラズマ処理装置１００Ａ、１００Ｂ、１００Ｃは、それぞれマイクロ波プラズマ源６Ａ、６Ｂ、６Ｃを有している。
図４は、マイクロ波プラズマ処理装置１００Ａを示す断面図である。マイクロ波プラズマ処理装置１００Ｂ、１００Ｃも基本構成は同じである。
図４に示すように、マイクロ波プラズマ処理装置１００Ａは、マイクロ波プラズマプラズマ源６Ａと、処理容器１１内のマイクロ波プラズマ源６Ａ直下位置の処理空間Ｓと、処理空間Ｓに処理ガスを供給する処理ガス供給機構５０と、処理空間Ｓ内でウエハＷを支持する支持部材としての上述した回転テーブル２と、処理空間Ｓ内を排気する排気機構５７とを有している。回転テーブル２上のウエハＷは、処理空間Ｓを通過するようになっている。
マイクロ波プラズマ源６Ａは、マイクロ波発生部６９と、マイクロ波発生部６９で発生されたマイクロ波を伝播する導波路を構成する導波管６７、モード変換器６６および同軸導波管６５と、同軸導波管６５からマイクロ波が伝播され、処理空間Ｓへ向けてマイクロ波を放射するアンテナ部６０とを備えている。したがって、マイクロ波プラズマ処理装置１００Ａは、ＲＬＳＡ（登録商標）マイクロ波プラズマ処理装置として構成される。アンテナ部６０は、回転テーブル２の上面と対向する天板１２に設けられた概略三角形の形状の開口を塞ぐように設けられている。
マイクロ波発生部６９は、発振器、オシレータ、電源等を有しており、例えば２．４５ＧＨｚの周波数のマイクロ波を発生する。マイクロ波発生部６９には導波管６７の一端が接続されており、他端が導波管６７と同軸導波管６５の接続部であるモード変換器６６に接続されている。同軸導波管６５は、モード変換器６６の下方に延びている。同軸導波管６５の下端にはアンテナ部６０が接続されている。なお、マイクロ波発生部６９の周波数は２．４５ＧＨｚ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。
導波管６７は、断面矩形状をなし、マイクロ波発生部６９で発生されたマイクロ波がその中をＴＥモードで伝播する。モード変換器６６ではマイクロ波の振動モードがＴＥモードからＴＥＭモードへ変換され、ＴＥＭモードのマイクロ波が同軸導波管６５を伝播してアンテナ部６０に導かれる。
導波管６７にはチューナ６８および方向性結合器等からなる検出器８５が設けられている。チューナ６８は、処理空間Ｓ内の負荷であるプラズマのインピーダンスをマイクロ波発生部６９の電源の特性インピーダンスに整合させるものである。検出器８５は進行波と反射波を検出するものである。
アンテナ部６０は、マイクロ波透過板６１、スロットアンテナ６２、遅波材６３、および、シールド機能を有し、チラーユニットからエチレングリコール等の冷却媒体が通流される冷却ジャケット６４からなる。
上記同軸導波管６５は、内側導体６５１と、内側導体６５１と同軸的に設けられた外側導体６５２とを有している。内側導体６５１は水冷経路を備えている。同軸導波管６５は、内側導体６５１の水冷経路を通流される水、および冷却ジャケット６４に通流されるエチレングリコール等の冷却媒体により冷却される。内側導体６５１はアンテナ部６０の冷却ジャケット６４の上部からスロットアンテナ６２に至る孔部７１に挿入され、コネクタ７０を介してスロットアンテナ６２に接続されている。コネクタの下部はキャップ７２で覆われている。外側導体６５２は、冷却ジャケット６４に取り付けられている。
スロットアンテナ６２は、概略三角形の金属板として構成され、多数のスロット６２１が形成されている。スロット６２１は、マイクロ波が効率良く放射されるように適宜設定される。例えば、スロット６２１は、三角形の中心から周縁へ向けた径方向、および周方向に所定の間隔で配置され、隣り合うスロット６２１同士が互いに交差または直交するように形成されている。
マイクロ波透過板６１は、誘電体、例えばアルミナ等のセラミックスや石英で構成され、同軸導波管６５から伝送され、スロットアンテナ６２のスロット６２１から放射されたマイクロ波を透過してマイクロ波を処理空間Ｓに供給し、処理空間Ｓのマイクロ波透過板６１の直下位置に均一に表面波プラズマを生成する機能を有しており、天板１２側の開口を塞ぐことが可能な概略三角形の平面形状を有する。マイクロ波透過板６１の下面には、マイクロ波のエネルギーを集中させることにより、プラズマを安定して発生させるための、テーパー面を備えた環状の凹部６１１を有している。なお、マイクロ波透過板６１の下面は平面状であってもよい。
遅波材６３は、スロットアンテナ６２上に設けられており、真空よりも大きい誘電率を有する誘電体、例えばアルミナ等のセラミックスで構成される。遅波材６３は、マイクロ波の波長を短くするためのものであり、マイクロ波透過板６１やスロットアンテナ６２に対応した概略三角形の平面形状を有する。
冷却ジャケット６４は、遅波材６３上に設けられており、その内部には冷媒流路６４１が形成され、当該冷媒流路６４１に冷媒を通流させることによりアンテナ部６０を冷却することができるようになっている。
そして、マイクロ波発生部６９にて発生されたマイクロ波が、導波管６７、モード変換器６６、同軸導波管６５、および遅波材６３を経てスロットアンテナ６２のスロット６２１から放射され、マイクロ波透過板６１を透過してその下方の処理空間Ｓに供給される。
処理ガス供給機構５０は、処理ガス供給源５１と、処理ガス供給源５１から延びる配管５２と、天板１２のマイクロ波透過板６１を支持している部分の周縁部に設けられた周縁側ガス供給路５３と、天板１２のマイクロ波透過板６１を支持している部分の中央部に設けられた中央側ガス供給路５４とを有する。
周縁側ガス供給路５３は、天板１２の上面に開口しており、その先端は周縁側から処理空間Ｓに処理ガスを吐出するガス吐出口５３ａとなっている。また、中央側ガス供給路５４は、天板１２の上面に開口しており、その先端は中央側から処理空間Ｓに処理ガスを吐出するガス吐出口５４ａとなっている。周縁側ガス供給路５３は、周縁側の複数個所から処理ガスが吐出できるように間隔を置いて複数個所、例えば２箇所設けられている。配管５２は周縁側ガス供給路５３および中央側ガス供給路５４の開口部に接続されている。配管５２にはマスフローコントローラ等の流量制御器および開閉バルブ（いずれも図示せず）が設けられている。処理ガスが複数の場合は、処理ガス供給源５１は処理ガスの数だけ設けられており、それぞれに配管が接続され、それぞれの配管に流量制御器および開閉バルブが設けられている。
処理ガスとしては、Ａｒガス等のプラズマ生成ガス、および原料ガスと反応する反応ガス、例えばＮＨ３ガスやＮ２ガス等の窒化ガスを挙げることができる。
処理ガスが、マイクロ波が供給された処理空間Ｓに供給されることにより、マイクロ波プラズマが生成され、反応ガスとして窒化ガスの活性種、例えばＮＨ３ラジカル（ＮＨ３ ＊）が生成され、その中を回転テーブル２上のウエハＷが通過することによりウエハＷに活性種による処理が施される。また、反応ガスとして窒化ガスの代わりにＨ２ガス等の還元ガスを供給して水素ラジカルによる還元処理を行ってもよい。
なお、別途のガス供給ラインを設けて、処理ガス中のプラズマ生成ガスをマイクロ波透過板６１の直下位置に供給するようにしてもよい。
なお、マイクロ波プラズマ処理装置１００Ａ、１００Ｂ、１００Ｃは、全て同じ反応ガスを供給して同じ処理、例えば窒化ガスを供給してプラズマ窒化処理を行ってもよいし、これらで異なる処理を行ってもよい。例えば、中央のマイクロ波プラズマ処理装置１００Ｂで窒化処理を行い、マイクロ波プラズマ処理装置１００Ａ、１００Ｃで還元処理等の他の処理を行うようにしてもよい。
なお、反応領域Ｒ２の処理空間を排気する排気機構５７は、図１に示すように、処理容器１１の容器本体１３の底部の外縁部に均等に設けられた４つの排気口１９０Ａ、１９０Ｂ、１９０Ｃ、１９０Ｄを介して処理容器１１内を排気する。
同軸導波管５７の内側導体６５１およびコネクタ７０には、図５に拡大して示すように、垂直方向に孔６５１ａが形成されており、この孔６５１ａ内に温度検出器である熱電対８０が挿入されており、スロットアンテナ６２近傍部分であるコネクタ７０、キャップ７２に対応する部分に熱電対８０の温度測定部８０ａが位置している。なお、熱電対８０は、スロットアンテナ６２に至るマイクロ波伝播経路、好ましくはアンテナ部６０内である同軸導波管６５の内側導体６５１の他の位置に設けてもよい。また、マイクロ波伝播経路の複数個所に設けてもよい。温度検出器である熱電対８０としてはシース熱電対や、光ファイバー式熱電対等を好適に用いることができる。
熱電対８０の信号線８０ｂは異常検出部８１に接続されており、異常検出部８１に熱電対８０の温度信号が入力される。異常検出部８１は熱電対８０の温度信号を監視するとともに、その温度信号に基づいて異常の判定を行う。具体的には、異常検出部８１には、検出温度の所定の閾値が設定され、これを超えたら異常と判定し、マイクロ波伝播経路の部材の安全を確保するための指令を発する。本例では、異常検出部８１に所定温度の第１の閾値および第１の閾値よりも高い温度の第２の閾値を設定し、熱電対８０からの温度信号が第１の閾値を超えた場合に、警告発生部８２に警告発生信号を出力し、警告発生部８２が警告を発する。また、熱電対８０からの温度信号が第２の閾値を超えた場合に、警報発生部８３に警報発生信号を出力し、警報発生部８３で警報を発するとともに、全体制御部８へプラズマ停止信号を出力し、全体制御部８はプラズマを停止する制御を行う（レシピアボート）。例えば、処理レシピ中のステップをプラズマ生成が行われないステップに進めるようにする。
また、異常検出部８１は、例えば方向性結合器からなる進行波と反射波とを検出することができる検出器８５からの進行波と反射波の信号が入力され、チューナ６８からそのポジション（例えばスラグチューナの場合はスラグポジション）が入力されるようになっており、検知・調整パラメータとして、進行波と反射波の比およびチューナ６８のポジション（例えばスラグチューナの場合はスラグポジション）を検知し、これらの値が閾値を超えた場合に全体制御部８へプラズマ停止信号を出力する従来と同様の機能も有している。
＜成膜装置の動作＞
次に、以上のように構成された成膜装置の動作について説明する。
上記成膜装置を用いてＰＥ−ＡＬＤ成膜処理を行う際には、最初に、搬入出部１０１のゲートバルブを開き、外部の搬送機構によって処理容器１１内に複数のウエハＷを搬入し、回転テーブル２のウエハ載置領域２１に複数のウエハＷを載置する。
ウエハＷの受け渡しは、回転テーブル２を間欠的に回転させて行い、全てのウエハ載置領域２１にウエハＷを載置する。ウエハＷの載置が終了したら、搬送機構を退出させ、搬入出部１０１のゲートバルブを閉じる。このとき処理容器１１内は排気機構５７によって予め所定の圧力に真空排気されている。また分離ガスとして例えばＡｒガスが供給されている。
次いで、温度センサ（図示せず）の検出値に基づいてヒーター４６により回転テーブル２上のウエハＷを所定の設定温度まで上昇させ、処理容器１１内の吸着領域Ｒ１への原料ガスの供給、反応領域Ｒ２の領域Ｒ２−１、Ｒ２−２、Ｒ２−３に設けられたマイクロ波プラズマ処理装置１００Ａ、１００Ｂ、１００Ｃへの反応ガスを含む処理ガスの供給、およびマイクロ波プラズマ源６Ａ〜６Ｃからのマイクロ波の供給を開始し、回転テーブル２を所定速度で時計回りに回転させ、ウエハＷ上において、原料ガスの吸着と、プラズマによる反応処理とを交互に繰り返し、ＰＥ−ＡＬＤにより所定の膜を成膜する。
例えば、原料ガスとして、例えばジクロロシラン（ＤＣＳ；ＳｉＨ２Ｃｌ２）のようなＳｉ原料ガスを用い、反応ガスとして、ＮＨ３ガスのような窒化ガスを用いた場合には、Ｓｉ原料の吸着と、プラズマ化された窒化ガスの活性種による反応処理が交互に繰り返され、ＳｉＮ膜が成膜される。
このとき、マイクロ波プラズマ処理装置１００Ａ、１００Ｂ、１００Ｃでは、上述したように、同じ反応ガスを供給して同じ処理、例えば窒化ガスを供給してプラズマ窒化処理を行ってもよいし、これらで異なる処理、例えば、中央のマイクロ波プラズマ処理装置１００Ｂで窒化処理を行い、マイクロ波プラズマ処理装置１００Ａ、１００Ｃで還元処理等の他の処理を行うようにしてもよく、処理ガスとして、反応ガスの他にＡｒガス等のプラズマ生成ガスを用いてもよいが、いずれの処理ガスを用いた場合でも、これら装置では同様な処理が行われる。
以下、マイクロ波プラズマ処理装置１００Ａ、１００Ｂ、１００Ｃを代表して、図４に示すマイクロ波プラズマ処理装置１００Ａの動作について説明する。
処理ガス供給機構５０の処理ガス供給源５１から配管５２ならびに周縁側ガス供給路５３および中央側ガス供給路５４を介して処理空間Ｓに反応ガスを含む処理ガスを導入しつつ、マイクロ波を導入し、マイクロ波プラズマを生成する。
具体的には、マイクロ波発生部６９で発生した所定のパワーのマイクロ波を導波管６７にＴＥモードで伝播させ、モード変換器６６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６５に伝播させて、遅波材６３、スロットアンテナ６２のスロット６２１、およびマイクロ波透過板６１を経て、処理空間Ｓ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６１の直下領域にのみ広がり、マイクロ波プラズマが表面波プラズマとして生成される。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、マイクロ波プラズマ処理装置１００Ａ、１００Ｂ、１００Ｃにおいて、着火不良が発生すると、アンテナ部６０を構成する部材の損傷や、処理中のウエハへの損害、装置復旧のためのダウンタイムが発生してしまうため、着火不良を監視する安全対策が必要である。
本実施形態のマイクロ波プラズマ処理装置１００Ａ、１００Ｂ、１００Ｃは、上述した特許文献３と同様の成膜装置に搭載されており、これらは隣接した領域に配置されているため、誤検知の問題が生じ、また、スペースの問題、およびカーボンワイヤーヒーターが用いられている問題等により、着火不良を監視する安全対策として発光センサを適用することが困難であり、発光センサは用いていない。
発光センサを用いない場合の安全対策としては、従来は、マイクロ波プラズマ源の内部で検知・調整されるパラメータ（例えば進行波と反射波の比や、インピーダンス整合を行うチューナのポジション等）の閾値を監視することのみであったが、閾値の監視のみで発光センサを用いない場合には、アンテナ部で予期せずマッチングが生じた場合や、微小放電がマイクロ波伝播経路内で発生した場合は、マイクロ波プラズマ源内部で検知・調整されるパラメータに異常が現れない場合があり、事前に着火不良を発見することは難しい。
そこで、本発明者が調査・検討した結果、閾値の監視のみで異常が現れない、アンテナ部での予期せぬ箇所でのマイクロ波のマッチングや、スロットアンテナ６２に至るマイクロ波伝播経路内での微小放電等は、マイクロ波伝播経路の部材の接続部分等で抵抗が高くなることにより温度が上昇すること、および、温度が上昇すると異常放電が生じやすくなり、結果として着火不良が生じることを見出した。
したがって、マイクロ波伝播経路の温度上昇は、着火不良が起こる前兆とみなすことができ、スロットアンテナ６２に至るマイクロ波伝播経路の温度を検出することにより、着火不良を事前に予測することができる。
また、より温度が上昇しやすいのは、マイクロ波伝播経路のアンテナ部６０に対応する部分、すなわち同軸導波管６５の内側導体６５１、コネクタ７０やその下のキャップ７２の部分であり、その中でもコネクタ７０やキャップ７２の近傍、特にキャップ７２の近傍であることが判明した。また、マイクロ波プラズマ処理装置を本例のＡＬＤプロセスのような長時間のプロセスに適用した場合には、アンテナ部で予期せぬマッチングが起こった場合や微小放電が起こった場合など、高温状態が続くことによって、異常放電が生じ、着火不良が生じることが判明した。
そこで、本実施形態では、同軸導波管６５の内側導体６５１およびコネクタ７０に形成された孔６５１ａ内に温度検出器である熱電対８０を挿入し、その温度測定部８０ａをスロットアンテナ６２近傍部分であるコネクタ７０、キャップ７２に対応する部分に位置させてその部分の温度を検出し、その温度信号を異常検出部８１に入力し、その温度信号に基づいて異常検出部８１により異常の判定を行う。具体的には、異常検出部８１に所定の閾値を設定し、これを超えたら異常と判定し、安全を確保するための指令を発する。本例では、異常検出部８１に所定温度の第１の閾値および第１の閾値よりも高い温度の第２の閾値を設定し、熱電対８０からの温度信号が第１の閾値を超えた場合に、警告発生部８２に警告発生信号を出力し、警告発生部８２が警告を発する。また、熱電対８０からの温度信号が第２の閾値を超えた場合に、警報発生部８３に警報発生信号を出力し、警報発生部８３で警報を発するとともに、全体制御部８へプラズマ停止信号を出力し、全体制御部８はプラズマを停止する制御を行う。第１の閾値を超えた警告段階では、処理は継続し、処理が終了後、部材の交換等のメンテナンスを行う。
このように、接触不良などによる予期せぬ箇所でのマッチングや、軽度な放電が発生した際に、マイクロ波伝播経路の部材の温度が上昇することに着目し、マイクロ波伝播経路の部材の温度、好ましくはより温度が上昇しやすいアンテナ部６０内の部材の温度、特に、温度が上昇しやすいコネクタ７０、キャップ７２の近傍部分の温度を監視することにより、着火不良を未然に防止することができる。
異常検出部８１は、さらに、従来と同様、検知・調整パラメータとして、検出器８５の検出値に基づく進行波と反射波の比およびチューナ６８のポジション（例えばスラグチューナの場合はスラグポジション）を検知し、これらの値が閾値を超えた場合に全体制御部８へプラズマ停止信号を出力する。これにより、従来と同様の安全対策を行うこともできる。
＜実験例＞
次に実験例について説明する。
ここでは、上記実施形態と同様、３つのマイクロ波プラズマ処理装置を隣接して設けた成膜装置において、３つのマイクロ波プラズマ処理装置で実際にプラズマを生成してマイクロ波伝播経路の温度測定の実験を行った。その際の条件は以下のとおりとした。
１．処理容器仕様
処理容器温度：４７５℃
処理容器圧力：２Ｔｏｒｒ
２．アンテナ部仕様
アンテナ温度：８０℃（チラー制御）
内側導体水冷温度：２５℃（室温）
同軸導波管圧力：大気圧
３．プロセス仕様
使用ガス種：Ａｒ／ＮＨ３／Ｈ２
マイクロ波パワー：２．５ｋＷ、３ｋＷ
４．温度監視閾値
異常警告（第１の閾値）：１５０℃超過 ２ｓｅｃ以上
異常警報（第２の閾値）：３００℃超過 ２ｓｅｃ以上
この条件で３つのマイクロ波プラズマ処理装置でプラズマを生成し、アンテナ部（Ａｎｔ−１，Ａｎｔ−２、Ａｎｔ−３）のキャップ部分の温度を測定した。その結果を図６に示す。
図６に示すように、マイクロ波パワーが２．５ｋＷのときは、いずれのアンテナ部のキャップ温度が警告閾値である１５０℃以下であったが、マイクロ波パワーが３ｋＷのときは、Ａｎｔ−２において１５０℃を超える温度（１６２．７℃）となった。このＡｎｔ−２を使い続けた結果、後日同軸導波管に異常放電が生じ、着火不良が生じた。Ａｎｔ−２を解体してチェックしたところ、同軸導波管の内側導体の外側および外側導体の内側に相対向するように放電痕が見られた。
この結果から、マイクロ波伝播経路の温度、具体的には同軸導波管の下のキャップ部分の温度を測定することにより、着火不良を事前に予測できることが確認された。
＜他の適用＞
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は、上記の実施形態に限定されず、その思想を逸脱しない範囲で種々変形可能である。
例えば、上記実施形態では、ＰＥ−ＡＬＤ成膜装置に複数設けられたマイクロ波プラズマ処理装置に適用した場合について示したが、これに限らず、他のマイクロ波プラズマ処理装置にも適用することができる。
また、上記実施形態では、温度検出器として熱電対を用いたが、温度検出器はこれに限るものではなく、光ファイバーセンサ等、従来用いられている温度検出器のいずれも用いることができる。ただし、温度検出器がシース熱電対等、金属で被覆したものの場合、閉空間に設置し、マイクロ波伝播に干渉しないよう注意が必要である。また、温度測定部分が１００〜１０００℃に加熱される場合もあるが、温度検出器は加熱温度に応じた耐熱性を有する材質のものを用いることが好ましい。
さらに、上記実施形態では、温度検出器をコネクタ、キャップに対応する部分に設けたが、これに限らず同軸導波管の他の位置に設けてもよい。ただし、温度検出位置は水冷部を避けた位置であることが望ましい。アンテナ部の構成上、異常放電リスクが生じる箇所が同軸導波管にある場合等には、温度検出位置は、同軸導波管以外のマイクロ波伝播経路であってもよい。
２；回転テーブル
３；原料ガス導入ユニット
６Ａ、６Ｂ、６Ｃ；マイクロ波プラズマ源
８；全体制御部
１１；処理容器
５０；処理ガス供給機構
５１；処理ガス供給源
５２；配管
５７；排気機構
６０；アンテナ部
６１；マイクロ波透過板
６２；スロットアンテナ
６３；遅波材
６４；冷却ジャケット
６５；同軸導波管
６６；モード変換器
６７；導波管
６８；チューナ
６９；マイクロ波発生部
７０；コネクタ
７２；キャップ
８０；熱電対
８０ａ；温度測定部
８１；異常検出部
８２；警告発生部
８３；警報発生部
８５；検出器
１００Ａ，１００Ｂ，１００ｃ；マイクロ波プラズマ処理装置
Ｒ１；吸着領域
Ｒ２；反応領域
Ｓ；処理空間
Ｗ；半導体ウエハ

Claims (15)

  1. 被処理基板を処理する処理空間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、
    マイクロ波を発生させるマイクロ波発生部と、
    前記マイクロ波発生部で発生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処理空間内に放射する、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して前記処理空間に供給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、
    前記スロットアンテナに至るマイクロ波伝播経路の所定位置の温度を検出する温度検出器と、
    前記温度検出器が検出した温度が入力され、その温度に基づいて前記アンテナ部での予期せぬ箇所でのマイクロ波のマッチングまたは前記マイクロ波伝播経路内での微小放電に基づく前記マイクロ波伝播経路の異常を検出して前記マイクロ波プラズマの着火不良を未然に防止する異常検出部と、
    を有することを特徴とするマイクロ波プラズマ源。
  2. 前記導波路は、前記アンテナ部のアンテナにマイクロ波を伝播する同軸導波管と、前記マイクロ波発生部からマイクロ波を伝播する導波管と、前記同軸導波管と前記導波管を接続する接続部とを有し、前記同軸導波管の内側導体の下に、前記スロットアンテナに接続されるコネクタおよび前記コネクタの下部を覆うキャップを有す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. 前記温度検出器は、前記同軸導波管、前記コネクタ、または前記キャップに対応する位置に設けられ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. 前記異常検出部は、前記温度検出器が検出する検出温度の所定の閾値が設定され、前記温度検出器で検出された温度が前記閾値を超えたときに異常と判定し、マイクロ波伝播経路の部材の安全を確保するための指令を発することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のマイクロ波プラズマ源。
  5. 前記異常検出部は、前記所定の閾値として、第１の閾値と、前記第１の閾値よりも高い第２の閾値が設定され、前記温度検出器で検出された温度が前記第１の閾値を超えた場合に警告を発する指令を出力し、前記温度検出器で検出された温度が前記第２の閾値を超えた場合に警報を発するとともにプラズマを停止する指令を出力することを特徴とする請求項４に記載のマイクロ波プラズマ源。
  6. 被処理基板を処理する処理空間を画成する処理容器と、
    マイクロ波を発生させるマイクロ波発生部と、
    前記マイクロ波発生部で発生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処理空間に放射する、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して前記処理空間に供給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、
    前記スロットアンテナに至るマイクロ波伝播経路の所定位置の温度を検出する温度検出器と、
    前記温度検出器が検出した温度が入力され、その温度に基づいて前記アンテナ部での予期せぬ箇所でのマイクロ波のマッチングまたは前記マイクロ波伝播経路内での微小放電に基づく前記マイクロ波伝播経路の異常を検出して前記マイクロ波プラズマの着火不良を未然に防止する異常検出部と、
    前記処理空間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、
    前記処理空間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。
  7. 前記導波路は、前記アンテナ部のアンテナにマイクロ波を伝播する同軸導波管と、前記マイクロ波発生部からマイクロ波を伝播する導波管と、前記同軸導波管と前記導波管を接続する接続部とを有し、前記同軸導波管の内側導体の下に、前記スロットアンテナに接続されるコネクタおよび前記コネクタの下部を覆うキャップを有することを特徴とする請求項６に記載のマイクロ波プラズマ処理装置。
  8. 前記温度検出器は、前記同軸導波管、前記コネクタ、または前記キャップに対応する位置に設けられることを特徴とする請求項７に記載のマイクロ波プラズマ処理装置。
  9. 前記異常検出部は、前記温度検出器が検出する検出温度の所定の閾値が設定され、前記温度検出器で検出された温度が前記閾値を超えたときに異常と判定し、マイクロ波伝播経路の部材の安全を確保するための指令を発することを特徴とする請求項６から請求項８のいずれか１項に記載のマイクロ波プラズマ処理装置。
  10. 前記異常検出部は、前記所定の閾値として、第１の閾値と、前記第１の閾値よりも高い第２の閾値が設定され、前記温度検出器で検出された温度が前記第１の閾値を超えた場合に警告を発する指令を出力し、前記温度検出器で検出された温度が前記第２の閾値を超えた場合に警報を発するとともにプラズマを停止する指令を出力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. 被処理基板を処理する処理空間を画成する処理容器と、
    マイクロ波を発生させるマイクロ波発生部と、
    前記マイクロ波発生部で発生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処理空間に放射する、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して前記処理空間に供給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、
    前記処理空間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、
    前記処理空間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、
    前記プラズマ処理のためのガスを前記処理空間に供給しつつ、前記導波路および前記アンテナ部を介して前記処理空間にマイクロ波を放射してマイクロ波プラズマを生成する際に、
    前記スロットアンテナに至るマイクロ波伝播経路の所定位置の温度を検出し、その温度に基づいて前記アンテナ部での予期せぬ箇所でのマイクロ波のマッチングまたは前記マイクロ波伝播経路内での微小放電に基づく前記マイクロ波伝播経路の異常を検出して前記マイクロ波プラズマの着火不良を未然に防止することを特徴とするプラズマ処理方法。
  12. 前記マイクロ波プラズマ処理装置において、前記導波路は、前記アンテナ部のアンテナにマイクロ波を伝播する同軸導波管と、前記マイクロ波発生部からマイクロ波を伝播する導波管と、前記同軸導波管と前記導波管を接続する接続部とを有し、前記同軸導波管の内側導体の下に、前記スロットアンテナに接続されるコネクタおよび前記コネクタの下部を覆うキャップを有することを特徴とする請求項１１に記載のプラズマ処理方法。
  13. 前記同軸導波管、前記コネクタ、または前記キャップに対応する位置の温度を検出することを特徴とする請求項１２に記載のプラズマ処理方法。
  14. 前記検出された温度が所定の閾値を超えたときに前記マイクロ波伝播経路に異常があると判断し、マイクロ波伝播経路の部材の安全を確保することを特徴とする請求項１１から請求項１３のいずれか１項に記載のプラズマ処理方法。
  15. 前記閾値として、第１の閾値と、前記第１の閾値よりも高い第２の閾値を設定し、前記検出された温度が前記第１の閾値を超えた場合に警告を発し、前記検出された温度が前記第２の閾値を超えた場合に警報を発するとともにプラズマを停止することを特徴とする請求項１４に記載のプラズマ処理方法。
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