JP7208873B2 - シャワープレート、下部誘電体、及びプラズマ処理装置 - Google Patents

シャワープレート、下部誘電体、及びプラズマ処理装置 Download PDF

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Description

本開示の例示的実施形態は、シャワープレート、下部誘電体、及びプラズマ処理装置に関する。
従来のシャワープレートを用いたプラズマ処理装置は、特許文献１に記載されている。特許文献１に記載のシャワープレートは、中央領域の厚みが、周辺領域の厚みに比べて厚い形状を有している。
特開２０１２－２５６６０４号公報
プラズマの面内均一性を向上可能なシャワープレート、下部誘電体、及びプラズマ処理装置が期待されている。
一つの例示的実施形態において、シャワープレートは、ガス孔を有する板状の誘電体本体と、誘電体本体内に含まれた複数の密閉領域とを備えている。個々の密閉領域は、誘電体本体よりも低い誘電率を有し、誘電体本体の中央領域における密閉領域の体積密度は、誘電体本体の周辺領域における密閉領域の体積密度よりも高い。
一つの例示的実施形態に係るプラズマ処理装置及びこれに用いるシャワープレート或いは下部誘電体によれば、プラズマの面内均一性を向上可能である。
図１は、プラズマ処理装置の装置構成を示す説明図である。 図２は、シャワープレートの縦断面構成を示す図である。 図３は、シャワープレートの平面図である。 図４は、シャワープレートの誘電体本体の縦断面構成を示す図である。 図５は、密閉領域の水平断面形状（ＸＹ平面内の形状）を示す図である。 図６は、密閉領域の縦断面形状（ＸＺ平面内の形状）を示す図である。 図７は、シャワープレートの誘電体本体の縦断面構成を示す図である。 図８は、シャワープレートの誘電体本体の縦断面構成を示す図である。 図９は、シャワープレートの誘電体本体の縦断面構成を示す図である。 図１０は、シャワープレートの誘電体本体の縦断面構成を示す図である。 図１１は、シャワープレートの誘電体本体の縦断面構成を示す図である。 図１２は、シャワープレートの平面図である（密閉領域は省略している）。 図１３は、プラズマ処理装置のシステム構成図である。 図１４は、下部誘電体（ステージ用誘電体レンズ）を備えたステージの縦断面構成を示す図である。
以下、種々の例示的実施形態について説明する。
一つの例示的実施形態において、シャワープレートは、ガス孔を有する板状の誘電体本体と、誘電体本体内に含まれた複数の密閉領域とを備えている。個々の密閉領域は、誘電体本体よりも低い誘電率を有し、誘電体本体の中央領域における密閉領域の体積密度は、誘電体本体の周辺領域における密閉領域の体積密度よりも高い。
誘電体の静電容量は、実効的な誘電率が低下すると小さくなる。誘電体本体の中央領域においては、相対的に低い誘電率を有する密閉領域の体積密度が高いため、実効的な誘電率は低下する。したがって、中央領域の静電容量は、周辺領域の静電容量よりも小さくなる。高周波をシャワープレートの上部や周囲から導入してプラズマを発生させる場合、中央領域においてプラズマ強度が高くなる傾向があるが、中央領域の静電容量は周辺領域よりも小さいので、プラズマ強度の増加が抑制され、プラズマの面内均一性が高くなる。
一つの例示的実施形態において、板状の誘電体本体は、平坦な一方面と、平坦な他方面とを備え、シャワープレートは、一方面上に固定された電極膜を備え、他方面はプラズマ生成領域側に位置することを特徴とする。電極膜は誘電体本体に固定されているので、これらの間の隙間が温度に依存して変化せず、また、隙間における放電が生じにくい。また、誘電体本体が平坦な一方面及び他方面を備えているので、誘電体本体の熱膨張時の歪みも少ない。したがって、シャワープレートの静電容量が、温度によって変化しにくく、温度変化に伴うプラズマの均一性劣化が抑制される。
一つの例示的実施形態において、電極膜は、金属溶射膜であることを特徴とする。金属溶射膜は、接着強度が高く、剥がれにくいため、剥がれに伴う放電が生じにくく、プラズマの均一性劣化が抑制される。また、電極膜を誘電体本体の平坦な面に溶射できるので、凸面や凹面に溶射する場合に比べて、溶射の精度劣化が起こらない。
密閉領域は、窒素ガス及びアルゴンガスからなる群から選択される少なくとも１種のガスを含むことを特徴とする。ガス孔などの形成又は加工時において、密閉領域の誘電体材料が外部に露出しても、プラズマ特性に影響を与えない方が好ましい。窒素ガス、アルゴンガスは、不活性度が高く、コンタミネーションとして機能しにくい材料なので、これらの材料を用いた場合には、さらに良質なプラズマを発生させることができる。また、空気に比べて熱膨張率も低いため、温度変化に対する静電容量の変化も抑制できる。
個々の密閉領域は、誘電体本体の厚み方向に沿って延びた形状を有することを特徴とする。
一つの例示的実施形態においては、シャワープレートの厚み方向の静電容量を中央領域において、低下させている。低誘電率の密閉領域が厚み方向（縦方向）に延びている場合には、シャワープレート上下面間の静電容量を十分に低下させることができる。
一つの例示的実施形態においては、誘電体本体の厚み方向をＺ軸方向とし、Ｚ軸方向に垂直な２方向をＸ軸及びＹ軸とした場合、複数の密閉領域個々の重心位置の分布は、他方面側よりも、電極膜側へ偏っていることを特徴とする。他方面側は、プラズマ生成領域に接するが、密閉領域は電極膜側に偏っているので、密閉領域がプラズマに侵食されにくいという利点がある。
一方、密閉領域は低誘電率材料からなるので、誘電体本体の熱膨張により、内部に応力がかかり、変形が生じようとする。そこで、一つの例示的実施形態においては、複数の密閉領域個々の重心位置は、電極膜側に位置する所定のＸＹ平面に対して面対称に分布していることを特徴とする。この場合、面対称であるため、熱応力に伴う変形の度合いがＸＹ平面の上下において対称となり、全体の変形が抑制される。すなわち、誘電体本体の変形が少ないため、熱に伴う容量変化が小さく、プラズマの面内均一性を更に高めることができる。
一つの例示的実施形態においては、プラズマ処理装置は、上述のシャワープレートと、シャワープレートを収容する処理容器と、処理容器内にプラズマ発生用の高周波を導入する高周波発生器とを備えている。
高周波発生器から処理容器内に高周波が導入されると、処理容器内部においてプラズマが発生する。シャワープレートのガス孔からは処理ガスが処理容器内に供給できるので、処理ガスのプラズマを生成し、処理対象物にプラズマ処理を施すことができる。
一つの例示的実施形態においては、高周波の周波数は、１３０ＭＨｚ～２２０ＭＨｚであることを特徴とする。この周波数範囲は、超短波（ＶＨＦ）帯に含まれる。ＶＨＦ帯とは、３０ＭＨｚ～３００ＭＨｚ程度の範囲の周波数である。このような条件の場合、一般的な直径３３０ｍｍ程度のシャワープレートの場合には、高周波の半波長がシャワープレートの直径に近いか、シャワープレートの直径よりも小さくなるので、定在波が立ちやすくなる。したがって、定在波に起因してプラズマの面内均一性の悪化が生じる傾向にあるが、このような場合においては、複数の密閉領域によるレンズ効果により面内均一性を良好に保つことができる。
一つの例示的実施形態においては、下部誘電体は、板状の誘電体本体と、誘電体本体内に含まれた複数の密閉領域とを備えている。個々の密閉領域は、誘電体本体よりも低い誘電率を有している。誘電体本体の中央領域における密閉領域の体積密度は、誘電体本体の周辺領域における密閉領域の体積密度よりも高い。
シャワープレートの場合と同様に、下部誘電体においても、誘電体本体の中央領域においては、相対的に低い誘電率を有する密閉領域の体積密度が高いため、実効的な誘電率は低下する。したがって、下部誘電体における中央領域の静電容量は、周辺領域の静電容量よりも小さくなる。換言すれば、下部誘電体は、周囲の電界を補正する誘電体レンズとして機能している。高周波を処理容器に導入してプラズマを発生させる場合、中央領域においてプラズマ強度が高くなる傾向があるが、中央領域の静電容量は周辺領域よりも小さいので、プラズマ強度の増加が抑制され、プラズマの面内均一性が高くなる。
以下、実施の形態に係るプラズマ処理装置について説明する。同一要素には、同一符号を用い、重複する説明は省略する。
図１は、一つの例示的実施形態に係るプラズマ処理装置１００の装置構成を示す説明図である。なお、説明の便宜上、三次元直交座標系を設定する。プラズマ処理装置の鉛直方向をＺ軸方向とし、これに垂直な２方向をそれぞれＸ軸及びＹ軸とする。
プラズマ処理装置１００は、下部にステージＬＳを備えている。ステージＬＳと上部電極５との間にプラズマが発生する。ステージＬＳは、ステージの本体内に埋め込まれた下部電極６と、本体内に埋設された温度調節装置ＴＥＭＰ（発熱体を含む）とを備えている。ステージＬＳは、駆動機構ＤＲＶに支持されており、駆動機構ＤＲＶによってＺ軸方向に移動させることができる。駆動機構ＤＲＶはＺθステージであり、Ｚ軸方向の移動の他、ＸＹ平面内において回転することができる。プラズマ処理装置１００は、処理容器１内に対向配置された上部電極５及び下部電極６を備え、これらの電極間の空間ＳＰにプラズマを発生させる。上部電極５には、下面に凹部が設けられており、この凹部内にシャワープレート（誘電体本体７及び電極膜７Ａ）が配置されている。空間ＳＰの横方向端部には、誘電体からなる高周波導入部９が設けられている。
シャワープレートの誘電体本体７には、ガス源１０から処理ガスを供給するためのガス孔Ｈが設けられている。誘電体本体７の内部には、複数の密閉領域Ｐ（気泡など）が含まれており、密閉領域Ｐが含まれる領域は、誘電体本体７よりも低い誘電率を有しており、この領域における実効的な誘電率が低下している。
処理容器１の上部には、円筒形の蓋部材３が設けられる。蓋部材３の中央は開口しており、蓋部材の内面と、上部電極５の外面との間の空間が、高周波の導波路２を構成している。高周波を導波路２内に導入する方法には、様々なものがある。例えば、蓋部材３の上部の開口に連通する導波管を設け、かかる導波管内に高周波を供給してもよい。導波路２内に導入された高周波は、白抜き矢印で示す通り、下方に伝搬し、更に、誘電体からなる高周波導入部９を介して、処理容器１の内部に導入される。高周波を伝搬させるために同軸管を用いることもでき、その内部導体を上部電極５に接続することもできる。また、高周波の伝播経路内においては、適当な誘電体を配置して、インピダンス整合をとることができる。
導波路２の上部に導入された高周波は、水平方向に沿って放射状に周辺部に進行する。その後、この高周波は、処理容器１の側壁の内面に形成された導波路（平面形状は円環状で、深さはＺ軸方向）を下方に進行する。しかる後、この高周波は、高周波導入部９に導入され、処理容器１の外周部から中央部に向けて進行する。Ｚ軸方向から見た高周波導入部９の平面形状は円環状であり、水平方向の全方位から処理容器１の軸中心に向けて、高周波が進行する。高周波導入部９は、プラズマ発生空間ＳＰの横方向に位置している。
また、高周波電力は、高周波として処理容器１の側方から上部電極５とステージＬＳとの間の空間内に導入される。シャワープレートの誘電体本体７のガス孔Ｈから処理容器１内に処理ガスが導入されると共に、上部電極５と下部電極６との間の空間内に、高周波導入部９から、高周波が導入される。これにより、処理容器１の内部の処理ガスがプラズマ化し、プラズマが発生する。処理容器１内のガスは、排気通路４を介して、排気装置１４により外部に排気される。
上部電極５は、導電性材料からなる冷却ジャケットであり、冷却媒体通路５Ｃを有している。上部電極５の下面は、凹部を有しており、凹部内にシャワープレート（誘電体本体７及び電極膜７Ａ）が配置される。
シャワープレートの誘電体本体７の上面上には、電極膜７Ａが形成され、固定されており、電極膜７Ａは上部電極５の下面に電気的に接続されている。なお、電極膜７Ａは、金属の溶射によって形成することができるが、金属膜の形成法としては、溶射の他に、溶融金属メッキ法、溶融塩電解メッキ法、金属浸透法、蒸着法、電気泳動法などが知られている。
電極膜７Ａは、金属溶射膜であることが好ましい。金属溶射膜は、接着強度が高く、剥がれにくいため、剥がれに伴う放電が生じにくく、プラズマの均一性劣化が抑制される。好適には、金属は電気伝導率が高いアルミニウムであることが好ましく、例えば、標準規格のアルミニウム溶射作業標準（ＪＩＳ Ｈ ９３０１）を用いて、溶射を行うことができる。溶射前に、誘電体本体７の下地表面上にサンドブラストなどの粗面加工を行うこともでき、この場合には、金属溶射後の接着強度を向上させることができる。
高周波導入部９は、横方向端部（水平方向端部）に位置しており、この空間内には、様々な横方向から高周波が導入されるので、定在波が形成されにくいという利点がある。シャワープレートの誘電体本体７は、中央領域の実効的な誘電率が、周辺領域の実効的な誘電率よりも低い誘電体レンズとして機能する。上部電極５と下部電極６との間に発生する電界ベクトルは、外側に向けて傾斜する傾向がある。シャワープレートの誘電体本体７が誘電体レンズとして機能するため、面内における電界ベクトルを曲げて、電界ベクトルの向きと大きさを垂直方向に揃えることができる。
以下、詳説する。
図２は、シャワープレートの縦断面構成を示す図である。
シャワープレートは、ガス孔Ｈを有する板状の誘電体本体７と、誘電体本体７内に含まれた複数の密閉領域Ｐとを備えている。個々の密閉領域Ｐは、誘電体本体７よりも低い誘電率を有している。
密閉領域Ｐは、低誘電率領域であり、内部に固体が充填されていない場合は、気泡である。密閉領域Ｐが気泡の場合の室温（３００Ｋ）における圧力は、１気圧又は１気圧よりも低い圧力である。気泡形成時の圧力が１気圧よりも低い場合、又は、気泡形成時の温度が室温よりも高い場合には、気泡の室温での圧力を１気圧よりも低くすることができる。εｒ０は真空の比誘電率、εｒＮ２は窒素ガスの比誘電率、εｒｓｉｏ２は石英ガラス（ＳｉＯ２）の比誘電率、εｒＡｌＮは窒化アルミニウム（ＡｌＮ）の比誘電率、εｒＡｌ２Ｏ３はアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）の比誘電率を示しているとする。この場合、ＶＨＦ帯に対する室温の比誘電率（誘電率）は、εｒ０＜εｒＮ２＜εｒＳｉｏ２＜εｒＡｌＮ＜εｒＡｌ２Ｏ３の関係を満たしているので、適宜選択材料の選択を行う。密閉領域Ｐが、気泡としての窒素ガスからなる場合、誘電体本体７は、例えば、窒化アルミニウム又はアルミナから構成することができる。これらの材料は、誘電率が高く、熱耐性も高いという利点がある。
密閉領域Ｐが気泡からなる場合、好適には、密閉領域Ｐは窒素ガス及びアルゴンガスからなる群から選択される少なくとも１種のガスを含むことができる。誘電体本体７におけるガス孔Ｈなどの形成又は加工時において、密閉領域Ｐの誘電体材料が外部に露出しても、プラズマ特性に影響を与えない材料が好ましい。窒素ガス、アルゴンガスは、不活性度が高く、コンタミネーションとして機能しにくい材料なので、これらの材料を用いた場合には、さらに良質なプラズマを発生させることができる。
ここで、誘電体本体７のＸＹ平面内における外周に近い領域を周辺領域とする。誘電体本体７のＸＹ平面内における重心位置を中心とし、かかる中心の近傍領域を中央領域とする。具体的には、ＸＹ平面内の誘電体本体７の形状は円形であり、その半径をＲとすると、中心からＲ／２の位置までに含まれる領域を中央領域とし、中心からＲ／２の位置からＲの位置までに含まる領域を周辺領域とする。この場合、周辺領域においては少数の密閉領域Ｐが存在し、中央領域において多数の密閉領域Ｐが存在している。換言すれば、誘電体本体７の中央領域における密閉領域Ｐの体積密度は、誘電体本体７の周辺領域における密閉領域Ｐの体積密度よりも高い。なお、誘電体本体７の周辺領域の最外部分の下面は、高周波導入部９などの部材によって支持されているため、この支持された領域の直下においては、プラズマが発生しない。周辺領域の定義において、直下にプラズマが発生しない領域を除いたとしても、上記の密閉領域Ｐの体積密度の関係は変わらない。
誘電体の静電容量は、実効的な誘電率が低下すると小さくなる。誘電体本体７の中央領域においては、相対的に低い誘電率を有する密閉領域の体積密度が高いため、実効的な誘電率は低下する。したがって、誘電体本体７の厚み方向に離間した対向電極を備えるキャパシタを想定すると、中央領域の静電容量は、周辺領域の静電容量よりも小さくなる。高周波をシャワープレートの上部や周囲から導入してプラズマを発生させる場合、シャワープレートの中央領域においてプラズマ強度が高くなる傾向がある。中央領域の静電容量は周辺領域よりも、小さいので、プラズマ強度の増加が抑制され、プラズマの面内均一性が高くなる。
図２に示す板状の誘電体本体７は、平坦な一方面（Ｚ軸のプラス側に位置するＸＹ平面）と、平坦な他方面（Ｚ軸のマイナス側に位置するＸＹ平面）とを備えている。シャワープレートは、一方面上に固定された電極膜７Ａを備えている。他方面はプラズマ生成領域側（図１の空間ＳＰ側）に位置している。電極膜７Ａは、誘電体本体７に固定されているので、これらの間の隙間が、温度に依存して変化せず、また、隙間における放電が生じにくい。誘電体本体７が平坦な一方面及び他方面を備えているので、誘電体本体７の熱膨張時の歪みも少ない。したがって、この構造の場合、シャワープレートの静電容量が、温度によって変化しにくく、温度変化に伴うプラズマの均一性劣化を抑制することができる。
なお、ガス孔Ｈの形状は、深さ方向に沿って不変の直径を有する円筒形であるが、下方部の直径が、上方部の直径よりも小さい円筒形等であってもよい。
図３は、Ｚ軸方向から見たシャワープレートの平面図である。
個々の密閉領域Ｐの重心の三次元位置をＰ（ｘ，ｙ，ｚ）とし、ガス孔Ｈの重心のＸＹ平面内の二次元位置をＨ（ｘ，ｙ）とする。誘電体本体内のガス孔Ｈの数は、密閉領域Ｐの数よりも少ない。なお、ガス孔Ｈは、Ｚ軸方向に沿って誘電体本体７を貫通しているので、二次元位置Ｈ（ｘ，ｙ）にはＺ軸の位置は示していない。誘電体本体７のＸＹ平面内における中心位置をＸＹ座標の原点とし、鉛直上方をＺ軸方向の正方向とする。ＸＹ座標の原点を中心とする半径Ｒの円の方程式は（ｘ２＋ｙ２＝Ｒ２）である。この円の方程式が誘電体本体７の外縁の位置を示す。同図では、複数のガス孔Ｈは、異なる半径を有する複数の同心円上に配置されている。例えば、４つの半径（Ｒ１＜Ｒ２＜Ｒ３＜Ｒ４）の円の方程式は、（ｘ２＋ｙ２＝Ｒ１２、ｘ２＋ｙ２＝Ｒ２２、ｘ２＋ｙ２＝Ｒ３２、ｘ２＋ｙ２＝Ｒ４２であり、ガス孔Ｈの位置Ｈ（ｘ，ｙ）は、これらの円の方程式の条件を満たしている。また、ガス孔Ｈは、原点を中心とする放射線上に配置されている。
密閉領域Ｐは、ガス孔Ｈとは異なる半径を有する複数の同心円上に配置されている。例えば、４つの半径（ｒ１＜ｒ２＜ｒ３＜ｒ４）の円の方程式は、（ｘ２＋ｙ２＝ｒ１２、ｘ２＋ｙ２＝ｒ２２、ｘ２＋ｙ２＝ｒ３２、ｘ２＋ｙ２＝ｒ４２であり、密閉領域Ｐの二次元位置Ｐ（ｘ，ｙ）は、これらの円の方程式の条件を満たしている。なお、（ｒ１＜Ｒ１＜ｒ２＜Ｒ２＜ｒ３＜Ｒ３＜ｒ４＜Ｒ４）であるとする。また、密閉領域Ｐは、原点を中心とする放射線上に配置されている。
密閉領域ＰのＺ軸方向の重心位置ｚは、Ｚ軸の負方向の位置であるが、密閉領域Ｐの大部分は、誘電体本体７のＺ軸方向の厚みｚ０の半分ｚ０／２よりも上側に位置している。換言すれば、全体の密閉領域Ｐの集合の重心位置ｚｔｏｔａｌは、０＞ｚｔｏｔａｌ＞ｚ０／２の関係を満たしている。換言すれば、全体集合の重心位置ｚｔｏｔａｌの誘電体本体７の上部表面（ｚ＝０）からの離間距離（｜０－ｚｔｏｔａｌ｜）は、｜ｚ０／２｜よりも小さい。
同図に示す例では、ガス孔Ｈの直径は、密閉領域Ｐの直径よりも大きい。複数のガス孔Ｈの直径は同一であり、複数の密閉領域Ｐの直径も同一である。同図に示す例では、中央領域においては、単位面積あたりのガス孔Ｈの数が、周辺領域よりも増加している。また、中央領域においては、単位面積あたりの密閉領域Ｐの数が、周辺領域よりも増加している。したがって、例え、複数の密閉領域Ｐの深さが、全て同一であったとしても、中央領域における実効的な誘電率は、周辺領域の実効的な誘電率よりも小さくなる。複数の密閉領域Ｐは、深さ方向に分散することができる。
ガスの流速の観点から考えると、本構造の場合は、中央領域におけるガス孔密度が、周辺領域よりも大きいので、中央領域から周辺領域に向けた放射状のガス流が生じる。プラズマ発生中において、処理ガスのガス孔Ｈへの供給を停止した場合には、ガス流は生じず、静的な状態で処理が進行する。処理容器内のガスを排気する場合、放射状のガス流を生じさせた場合には、内部の不要なガスがスムーズに排出されるという利点がある。
図１２は、シャワープレートの平面図である（密閉領域の記載は省略している）。図１２のように、ガス孔Ｈを正方格子の格子点上に配置する方法もある。同図では、周辺領域のエッジに近い箇所にはガス孔Ｈを配置していないが、エッジに近い位置まで、ガス孔Ｈを配置してもよい。図３のような放射状のガス流は生じないが、ガス導入圧力が面内で均一であれば、均一な分布で処理容器内にガスが導入されるという利点がある。なお、図１２には、密閉領域Ｐは図示していないが、様々なタイプの密閉領域Ｐを図１２の誘電体本体７に設けることができる。
図３に戻って、誘電率の観点について説明する。ガス孔Ｈ内は、固体が存在しない空間であり、誘電体本体７よりも誘電率は低い。したがって、ＸＹ平面内における単位面積当たりの実効的な誘電率は、ガス孔Ｈの二次元密度が増加するほど、低下する。中央領域におけるガス孔Ｈの二次元密度を増加させつつ、密閉領域Ｐの３次元密度も増加させれば、より少ない密閉領域Ｐの数で、所望の誘電率を実現することができる。
次に、密閉領域Ｐの更に詳細な構造について、説明する。
図４は、シャワープレートの誘電体本体の縦断面構成を示す図である。
個々の密閉領域Ｐの形状は、球である。「球」は、Ｚ軸を含む断面（ＸＺ断面）内においても、ＸＹ断面内においても、円形である。複数の密閉領域Ｐは、誘電体本体７内に分散している。中央領域における密閉領域ＰのＺ軸方向の数は、周辺領域における密閉領域ＰのＺ軸方向の数よりも多く、この数は、中心から離れるほど減少している。複数の密閉領域Ｐからなる密閉領域群としての集合体は、誘電体本体７の上側寄りに配置されている。すなわち、Ｚ軸方向の最下部に位置する密閉領域Ｐは、下限位置であるｚ＝ｚｄｏｗｎの位置よりも上方に位置している。なお、Ｚ軸方向の最上部に位置する密閉領域Ｐは、上限位置であるｚ＝ｚｕｐの位置よりも下方に位置している。誘電体本体７のＺ軸方向の厚みは、｜ｚ０｜であり、下限位置｜ｚｄｏｗｎ｜は、保護厚ΔＺＭ＝｜ｚ０－ｚｄｏｗｎ｜を満たすように設定される。複数の密閉領域Ｐの個々の重心位置の分布は、他方面側（下面側）よりも、電極膜側（上面側）へ偏っている。下面側は、プラズマ生成領域に接するが、密閉領域Ｐは上面側に偏っているので、密閉領域Ｐがプラズマに侵食されにくいという利点がある。
なお、保護厚ΔＺＭは、誘電体本体７の下面で発生するプラズマから、密閉領域Ｐを保護するために設けられる厚みである。経年使用により、プラズマが誘電体本体７の下面を削るため、保護厚ΔＺＭを設定している。保護厚ΔＺＭが薄すぎると保護機能が有効でなく、厚すぎると無駄な領域が増加する。かかる観点から、ｚ１≦ΔＺＭ≦ｚ２であることが好ましい。好適なｚ１は｜ｚ０×５％｜、｜ｚ０×１０％｜、｜ｚ０×１５％｜、又は、｜ｚ０×２０％｜である。好適なｚ２は｜ｚ０×５０％｜、｜ｚ０×４５％｜、｜ｚ０×４０％｜、又は、｜ｚ０×３５％｜である。
密閉領域Ｐの上限位置は、密閉領域Ｐが露出しないように設定される。上面はプラズマで削られるわけではないので、｜ｚｕｐ｜＜ΔＺＭに設定される。
気体などの誘電率が低い材料は、屈折率も低く、アルミナや窒化アルミニウムなどの固体誘電体材料と比較すると、分子間結合が弱く、密度が低い傾向にある。このような材料は、容易に変形する。密閉領域Ｐは低誘電率材料からなるので、誘電体本体７の熱膨張により、内部に応力がかかり、変形が生じようとする。
そこで、複数の密閉領域Ｐ個々の重心位置は、電極膜側に位置する所定のＸＹ平面（ｚ＝ｚｃｅｎｔｅｒ）に対して面対称に分布している。この場合、面対称であるため、熱応力に伴う変形の度合いがＸＹ平面の上下において対称となり、全体の変形が抑制される。すなわち、誘電体本体７の変形が少ないため、熱に伴う容量変化が小さく、プラズマの面内均一性を更に高めることができる。なお、｜ｚｃｅｎｔｅｒ｜＝｜ｚｕｐ｜＋｜ｚｄｏｗｎ－ｚｕｐ｜／２であり、｜ｚｃｅｎｔｅｒ｜＜｜ｚ０／２｜である。
誘電率分布は、誘電体本体の中央領域における密閉領域密度を増加させることで、実効的には、中央領域が厚い凸形状の誘電体板と等価なるように設定される。凸形状のＺ軸を含む平面内における二次元関数は、ガウス関数等を用いることができる。一般に、キャパシタの静電容量Ｃは、Ｃ＝εＳ／ｄ（εは誘電率、Ｓはキャパシタ用電極の面積、ｄは対向電極間の距離）である。したがって、誘電体本体７の上下面にキャパシタ用の電極が存在すると仮定して、凸形状の場合は、中央領域における距離ｄが大きいので静電容量Ｃが小さくなる。例えば、上述の二次元関数はｄの値に相当し場所によってＣの計算の元となる１／ｄの値が変化することを表している。ここで、凸形状の誘電体板と等価となるように、誘電率εを１／ｄの代わりに変化させることで、フラットな形状でも凸形状の誘電体板と等価な効果が得られる。誘電体本体７と密閉領域Ｐの混合物の誘電率εは、Ｍａｘｗｅｌｌ－Ｇａｒｎｅｔｔモデルを用いて計算することができる。
図５は、密閉領域の水平断面形状（ＸＹ平面内の形状）を示す図である。
同図に示すように、密閉領域Ｐの水平断面形状は、円形（図５（Ａ））、正六角形（図５（Ｂ））、正方形（図５（Ｃ））などとすることができる。多角形のうち、円形、正六角形、正方形は、回転対称性があり、様々な向きで配置された場合にも、均一性の高い誘電率分布を実現することができ、したがって、均一な分布のプラズマを形成しやすいという利点がある。
図６は、密閉領域の縦断面形状（ＸＺ平面内の形状）を示す図である。
同図に示すように、密閉領域Ｐの縦断面形状は、円形（図６（Ａ））、長円（図６（Ｂ））、長方形（図６（Ｃ））などとすることができる。密閉領域Ｐの縦方向の寸法が大きい形状（長円など）の場合は、複数の円形を連続させて重ねた形状と等価の作用効果を奏し、円（球）の場合と比較して、単位体積当たりの低誘電率材料の比率を高めることができる。また、円形又は長円の場合は、鋭利な角部がないため、角度への電界集中が生じにくく、電界に対する耐性が高くなるという利点がある。
図７は、シャワープレートの誘電体本体の縦断面構成を示す図である。
本例では、個々の密閉領域Ｐは、誘電体本体７の厚み方向に沿って延びた形状を有している（図６（Ｂ）参照）。中央領域の密閉領域ＰのＺ軸方向長は、周辺領域と比較して長く、シャワープレートの厚み方向の静電容量を中央領域において、低下させている。低誘電率の密閉領域Ｐが厚み方向（縦方向）に延びている場合には、シャワープレートの誘電体本体７における上下面間の静電容量を十分に低下させることができる。
詳説すれば、個々の密閉領域Ｐの形状は、縦断面形状が長円であり、水平断面形状は例えば円であるが、その他の形状も可能である。複数の密閉領域Ｐは、誘電体本体７内に分散している。中央領域における密閉領域ＰのＺ軸方向の長さは、周辺領域における密閉領域ＰのＺ軸方向の長さよりも長く、この寸法は、中心から離れるほど減少している。複数の密閉領域Ｐからなる密閉領域群としての集合体は、誘電体本体７の上側寄りに配置されている。すなわち、Ｚ軸方向の最下部に位置する密閉領域Ｐは、下限位置であるｚ＝ｚｄｏｗｎの位置よりも上方に位置している。なお、Ｚ軸方向の最上部に位置する密閉領域Ｐは、上限位置であるｚ＝ｚｕｐの位置よりも下方に位置している。誘電体本体７のＺ軸方向の厚みは、｜ｚ０｜であり、下限位置｜ｚｄｏｗｎ｜は、保護厚ΔＺＭ＝｜ｚ０－ｚｄｏｗｎ｜を満たすように設定される。複数の密閉領域Ｐの重心位置の分布は、他方面側（下面側）よりも、電極膜側（上面側）へ偏っている。下面側は、プラズマ生成領域に接するが、密閉領域Ｐは上面側に偏っているので、密閉領域Ｐがプラズマに侵食されにくいという利点がある。
なお、保護厚ΔＺＭの設定範囲に関しては、すでに説明した場合と同じである。また、上面はプラズマで削られるわけではないので、｜ｚｕｐ｜＜ΔＺＭに設定される。
熱膨張に伴う変形に関しては、複数の密閉領域Ｐの重心位置は、電極膜側に位置する所定のＸＹ平面（ｚ＝ｚｃｅｎｔｅｒ）上に分布し、このＸＹ平面によって分割される上下の密閉領域Ｐの形状は、ＸＹ平面に対して面対称に分布している。この場合、面対称であるため、熱応力に伴う変形の度合いがＸＹ平面の上下において対称となり、全体の変形が抑制される。すなわち、誘電体本体７の変形が少ないため、熱に伴う容量変化が小さく、プラズマの面内均一性を更に高めることができる。なお、｜ｚｃｅｎｔｅｒ｜＝｜ｚｕｐ｜＋｜ｚｄｏｗｎ－ｚｕｐ｜／２であり、｜ｚｃｅｎｔｅｒ｜＜｜ｚ０／２｜である。
図８は、シャワープレートの誘電体本体の縦断面構成を示す図である。
本例においては、図７における個々の密閉領域Ｐの縦断面形状を長方形としたものであり、その他の構成は、図７のものと同一である。なお、密閉領域Ｐの水平断面形状は例えば円であるが、その他の形状も可能である。複数の密閉領域Ｐは、誘電体本体７内に分散している。密閉領域Ｐの形状は、円柱又は多角形柱となるので、上下面の寸法制御を精密に行うことができるという利点がある。
図９は、シャワープレートの誘電体本体の縦断面構成を示す図である。
本例においては、図４における個々の密閉領域Ｐのうち、ＸＹ平面内において、中央領域に近いほど、径を大きくし、Ｚ軸方向に整列した個数は一致させたものである。その他の構成は、図４のものと同一である。図９の変形例として、Ｚ軸方向において、中心のＸＹ平面（ｚ＝ｚｃｅｎｔｅｒ）に近いものほど径を大きくする構成が考えられる。いずれの場合も、ｚｃｅｎｔｅｒを含むＸＹ平面に対して、面対称に密閉領域Ｐが分布していることになる。
図１０は、シャワープレートの誘電体本体の縦断面構成を示す図である。
本例においては、図４における密閉領域Ｐ全体の集合体が、下面側にシフトしたものであり、全体として凸型を構成するように分布している。かかる構成においても、水平方向の誘電率分布は制御することができる。
図１１は、シャワープレートの誘電体本体の縦断面構成を示す図である。
本例においては、図１０における密閉領域Ｐ全体の集合体を反転分布させたものである。かかる構成においても、水平方向の誘電率分布は制御することができる。
図１３は、プラズマ処理装置のシステム構成図である。
プラズマ処理装置は、上述のシャワープレート（誘電体本体７及び上部電極膜７Ａ）と、シャワープレートを収容する処理容器１と、処理容器１内にプラズマ発生用の高周波を導入する高周波発生器１３とを備えている。高周波発生器１３から処理容器１内に高周波が導入されると、処理容器１内部においてプラズマが発生する。シャワープレートのガス孔からは処理ガスが処理容器１内に供給できるので、処理ガスのプラズマを生成し、処理対象物にプラズマ処理を施すことができる。
本例における好適な高周波の周波数は、１３０ＭＨｚ～２２０ＭＨｚである。この周波数範囲は、超短波（ＶＨＦ）帯に含まれる。ＶＨＦ帯とは、３０ＭＨｚ～３００ＭＨｚ程度の範囲の周波数である。このような条件の場合、一般的な直径３３０ｍｍ程度のシャワープレートの場合には、高周波の半波長がシャワープレートの直径に近いか、シャワープレートの直径よりも小さくなるので、定在波が立ちやすくなる。したがって、定在波に起因してプラズマの面内均一性の悪化が生じる傾向にあるが、このような場合においては、複数の密閉領域Ｐによるレンズ効果が明確に発揮される。
好適な周波数について補足説明をする。例えば、誘電体本体を構成するＡｌ２Ｏ３の比誘電率を９とすると、波長短縮率は１／√９＝１／３となり、１３０ＭＨｚの波長は、真空中の波長の１／３になる。よって、Ａｌ２Ｏ３中の波長は２．３ｍ×１／３＝０．７７ｍとなる。これの半波長は０．３８５ｍ＝３８５ｍｍであり、シャワープレートの直径である３３０ｍｍに近い値となる。このような場合において、密閉領域Ｐの分散は、より効果を発揮する。なお、誘電体本体７の材料としては、Ａｌ２Ｏ３、ＡｌＮ又はＹ２Ｏ３などを用いることができる。また、シャワープレートの誘電正接は小さいほど好ましく、密閉領域Ｐが気泡の場合は、基本的には損失が無いという利点がある。密閉領域Ｐ用の粉末材料として高分子複合粉末を用いることも可能と考えられる。
処理対象物としての基板は例えばウェハであり、ステージＬＳ（図１参照）上に載せられる。このステージＬＳは、駆動機構ＤＲＶによって上下方向に移動させることができる。これにより、ステージＬＳ上に配置される処理対象の基板Ｗ（ウェハ）とプラズマとの距離を最適な条件に設定することができる。換言すれば、ステージＬＳの位置を移動させることで、プラズマの分布状態を変化させることができるので、最も均一で安定してプラズマが発生するようにステージを移動させることで、プラズマの面内均一性を高めることができる。
温度調節装置ＴＥＭＰは、冷却媒体を流すための媒体通路と、発熱体（ヒータ）と、温度センサとを含んでいる。コントローラ１２によって、ステージＬＳ（図１参照）が目的の温度となるように制御される。例えば、目標温度がＴ１℃の場合、温度センサの出力がＴ１℃よりも小さければ、ヒータを加熱し、Ｔ１℃よりも高ければ、ヒータを加熱しないで、冷却媒体を媒体通路に流すように、制御すればよい。ここで、温度調節装置ＴＥＭＰとしての発熱体は、ステージＬＳ（図１参照）内に埋設されていることが好ましく、高融点金属や、カーボンなどの材料から構成することができる。なお、発熱体には、給電用の配線を接続する。
コントローラ１２は、排気装置１４も制御している。排気装置１４は、処理容器１内のガスを、排気通路４（図１参照）を介して外部に排気する。これにより、プラズマ発生空間ＳＰ（図１参照）内のガスを排気することができ、この空間における圧力を適切な値に設定することができる。この圧力は、処理内容に応じて変更すればよいが、例えば、０．１Ｐａから１００Ｐａとすることができる。排気装置１４としては、ロータリポンプ、イオンポンプ、クライオスタット、ターボ分子ポンプなど真空系の装置で通常用いられるポンプを採用することができる。
コントローラ１２は、ガス源１０から発生したガスの流量を制御する流量コントローラ１１を制御している。流量コントローラ１１は、単なるバルブであってもよい。これにより、目的のガスを、処理容器１内に導入することができる。また、コントローラ１２は、高周波発生器１３も制御している。高周波の周波数は、本例では、好適にはＶＨＦ帯（３０ＭＨｚ～３００ＭＨｚ程度）であるが、その他の周波数帯域を用いることもできる。
ガス源１０に使用できるガスとしては、Ａｒ等の希ガスの他、ＣＦ４，Ｃ４Ｆ８などの炭素及びフッ素を含むガス、ＳｉＨ４、Ｎ２，Ｏ２などのガスなどが、一例として挙げられる。処理ガスの種類に応じて、膜堆積の他、エッチングなどのプラズマ処理を行うことができる。ＶＨＦ帯を用いた上述の形態を用いると、窒化シリコン（ＳｉＨ４と窒素のプラズマ又はＮＨ３のプラズマを適用させて形成する）の他、ＳｉＯ２（ＳｉＨ４と酸素プラズマを適用させて形成する）などの膜質が著しく向上すると考えられる。ガスの導入方法は、様々なものが考えられる。例えば、上部電極５（図１参照）にＺ軸方向に沿った貫通孔を形成し、シャワープレートへのガス導入路とすることができる。シャワープレートは、ガス濃度の面内均一性を高めることができる。
上部電極膜７Ａ、上部電極５（図１参照）及び下部電極６の材料としては、アルミニウムを用いることができる。ステージＬＳの材料としては、セラミックスを用いることができる。セラミックスの材料は、例えば、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）である。ＡｌＮは、耐熱性が高く、プラズマに対して耐性が高いという利点がある。導波路２（図１参照）内には、石英などの誘電体を埋め込むがことができるが、高周波を伝搬できるものであれば、空気や窒素等の気体でもよい。
ステージＬＳ（図１参照）上に配置される基板としては、シリコンなどを用いることができ、この基板に対して、成膜やエッチングなどの処理を行うことができる。また、必要に応じて、静電チャックを設けたり、下部電極６にイオンを引き込むための直流バイアス電位を加算したり、場合によっては、高周波電位を下部電極６に印加する構成も考えられる。また、処理容器１の周囲に磁石を配置する構成も考えられる。
図１４は、下部誘電体（ステージ用誘電体レンズ）を備えたステージの縦断面構成を示す図である。
下部誘電体は、板状の誘電体本体８と、誘電体本体８内に含まれた複数の密閉領域Ｐとを備えている。個々の密閉領域Ｐは、誘電体本体８よりも低い誘電率を有している。誘電体本体８の中央領域における密閉領域Ｐの体積密度は、誘電体本体８の周辺領域における密閉領域Ｐの体積密度よりも高い。下部誘電体の構造は、溶射した電極膜を備えていない点を除いて、上述のシャワープレートの構造と同一であり、上述の説明における誘電体本体７を誘電体本体８に読み替えることができる。
シャワープレートの場合と同様に、下部誘電体においても、誘電体本体８の中央領域においては、相対的に低い誘電率を有する密閉領域Ｐの体積密度が高いため、実効的な誘電率は低下する。したがって、下部誘電体における中央領域の静電容量は、周辺領域の静電容量よりも小さくなる。換言すれば、下部誘電体は、高周波プラズマによる電界を補正する誘電体レンズとして機能している。高周波を処理容器の周囲から導入してプラズマを発生させる場合、中央領域においてプラズマ強度が高くなる傾向があるが、中央領域の静電容量は周辺領域よりも、小さいので、プラズマ強度の増加が抑制され、プラズマの面内均一性が高くなる。
なお、上述の誘電体本体又は下部誘電体は、セラミック粉末を焼結して製造することができる。セラミック粉末は、３Ｄプリンタを用いて、自在の形状に加工することができる。一般には、水又は有機溶剤等の液体にセラミック粉末を含有させ、３Ｄプリンタのノズルの先端から射出すると、射出位置にセラミック粉末が位置する。全体形状を成形した後、焼結を行うこともできるが、セラミック材料を射出しながらレーザビーム又は電子ビームを用いて加熱を行うことで、焼結を行うことができる。
なお、造形技術としては、パウダーべッド方式（ＰＢＦ）、デポジション方式（ＤＥＤ）、バインダージェッティング方式などが知られている。
ＤＲＶ…駆動機構、ＳＰ…プラズマ発生空間、ＴＥＭＰ…温度調節装置、１…処理容器、２…導波路、３…蓋部材、４…排気通路、５…上部電極、５Ｃ…冷却媒体通路、６…下部電極、７…誘電体本体（シャワープレート）、７Ａ…電極膜、８…誘電体本体（下部誘電体）、９…高周波導入部、１０…ガス源、１１…流量コントローラ、１２…コントローラ、１３…高周波発生器、１４…排気装置、１００…プラズマ処理装置、Ｐ…密閉領域、Ｈ…ガス孔、ＬＳ…ステージ。

Claims (10)

  1. ガス孔を有する板状の誘電体本体と、
    前記誘電体本体内に含まれた複数の密閉領域と、
    を備え、
    個々の前記密閉領域は、前記誘電体本体よりも低い誘電率を有し、
    前記誘電体本体の中央領域における前記密閉領域の体積密度は、前記誘電体本体の周辺領域における前記密閉領域の体積密度よりも高い、
    ことを特徴とするシャワープレート。
  2. 板状の前記誘電体本体は、平坦な一方面と、平坦な他方面とを備え、
    前記一方面上に固定された電極膜を備え、
    前記他方面はプラズマ生成領域側に位置する、
    ことを特徴とする請求項１に記載のシャワープレート。
  3. 前記電極膜は、金属溶射膜である、
    ことを特徴とする請求項２に記載のシャワープレート。
  4. 前記密閉領域は、窒素ガス及びアルゴンガスからなる群から選択される少なくとも１種のガスを含む、
    ことを特徴とする請求項１～３のいずれか一項に記載のシャワープレート。
  5. 個々の前記密閉領域は、前記誘電体本体の厚み方向に沿って延びた形状を有する、
    ことを特徴とする請求項１～４のいずれか一項に記載のシャワープレート。
  6. 前記誘電体本体の厚み方向をＺ軸方向とし、Ｚ軸方向に垂直な２方向をＸ軸及びＹ軸とした場合、複数の前記密閉領域個々の重心位置の分布は、前記他方面側よりも、前記電極膜側へ偏っている、
    ことを特徴とする請求項２に記載のシャワープレート。
  7. 複数の前記密閉領域の重心位置は、前記電極膜側に位置する所定のＸＹ平面に対して面対称に分布している、
    ことを特徴とする請求項６に記載のシャワープレート。
  8. 請求項１～７のいずれか一項に記載のシャワープレートと、
    前記シャワープレートを収容する処理容器と、
    前記処理容器内にプラズマ発生用の高周波を導入する高周波発生器と、
    を備えたプラズマ処理装置。
  9. 前記高周波の周波数は、１３０ＭＨｚ～２２０ＭＨｚである、
    ことを特徴とする請求項８に記載のプラズマ処理装置。
  10. 板状の誘電体本体と、
    前記誘電体本体内に含まれた複数の密閉領域と、
    を備え、
    個々の前記密閉領域は、前記誘電体本体よりも低い誘電率を有し、
    前記誘電体本体の中央領域における前記密閉領域の体積密度は、前記誘電体本体の周辺領域における前記密閉領域の体積密度よりも高い、
    ことを特徴とする下部誘電体。
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