JP7233348B2 - プラズマ処理装置及びプラズマ処理方法 - Google Patents

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Description

本開示は、プラズマ処理装置及びプラズマ処理方法に関する。
３Ｄ ＮＡＮＤ等の工程では成膜された膜が比較的厚いために基板の湾曲が増大する傾向にある。基板が湾曲すると、露光工程においてパターンにずれが生じ、問題となる。基板へのストレスを緩和し、基板をフラットにできれば、露光工程においてパターンがずれる問題は解決する。
基板へのストレスを緩和する方法として、例えば、特許文献１は、基板の表面だけでなく、裏面に成膜することで素子形成後の基板に加わるストレスを低減することを提案している。
米国特許出願公開第２０１５／０３４０２２５号公報
本開示は、基板の裏面に局所的な成膜を行うことが可能なプラズマ処理装置及びプラズマ処理方法を提供する。
本開示の一の態様によれば、処理容器と、前記処理容器内に配置され、基板が保持される基板保持機構と、前記基板保持機構の下方に配置される誘電体窓と、前記誘電体窓の下方に配置され、複数の電磁波を放射するフェーズドアレイアンテナと、を有するプラズマ処理装置が提供される。
一の側面によれば、基板の裏面に局所的な成膜を行うことができる。
一実施形態に係るプラズマ処理装置の一例を示す断面模式図。 一実施形態に係るフェーズドアレイアンテナの一例を示す図。 一実施形態に係る位相制御を説明するための図。 一実施形態に係る位相制御による成膜の走査パターンの一例を示す図。 一実施形態に係るプラズマ処理装置の光学センサの位置の一例を示す図。 図５のＡ－Ａ面の一例を示す図。 一実施形態に係るプラズマ処理装置の光学センサの位置の他の例を示す図。 一実施形態に係るプラズマ処理装置の光学センサの位置の他の例を示す図。 一実施形態に係るプラズマ処理方法の一例を示すフローチャート。 一実施形態に係る誘電体窓における電界分布の一例を示す図。 一実施形態に係るプラズマ処理方法の効果の一例を示す図。
以下、図面を参照して本開示を実施するための形態について説明する。各図面において、同一構成部分には同一符号を付し、重複した説明を省略する場合がある。
［プラズマ処理装置］
一実施形態に係るプラズマ処理装置１０について、図１を用いて説明する。図１（ａ）は、一実施形態に係るプラズマ処理装置１０の一例を示す断面模式図である。以下では、プラズマ処理装置１０の一例としてマイクロ波プラズマ処理装置を挙げて説明する。図１（ｃ）は、比較例にかかるマイクロ波プラズマ処理装置(以下、プラズマ処理装置２０という。)である。
図１（ａ）に示す一実施形態に係るプラズマ処理装置１０は、ウェハ等の基板Ｗを収容する処理容器１を有する。プラズマ処理装置１０は、マイクロ波によって形成されるプラズマにより、基板Ｗに対して成膜処理またはエッチング処理等の所定のプラズマ処理を行う。
処理容器１は、略円筒状の容器であり、接地されている。処理容器１の底面の開口は底板９にて閉塞され、これにより、処理容器１の内部を気密に保持することが可能となっている。処理容器１及び底板９は、アルミニウムまたはステンレス鋼等の金属材料から形成される。
処理容器１内には基板Ｗが保持される基板保持機構３が設けられている。基板保持機構３を構成する材料としては、誘電体（石英、アルミナなどのセラミックス等）が例示される。基板保持機構３には、基板Ｗを静電吸着するための静電チャック、温度制御機構等が設けられてもよい。基板保持機構３には駆動機構４が接続されている。基板保持機構３は、駆動機構４により処理容器１内にて上下方向に移動可能であり、これにより、基板Ｗの高さを調節するようになっている。
処理容器１には図示しない排気管が接続されており、排気管には真空ポンプを含む排気装置が接続されている。排気装置を作動させると処理容器１内が排気され、これにより、処理容器１内が所定の真空度まで減圧される。処理容器１の側壁には、基板Ｗの搬入及び搬出を行うための図示しない搬入出口と、搬入出口を開閉する図示しないゲートバルブとが設けられている。底板９には、処理容器１内にマイクロ波を放射する７つ（図１では３つのみ表示）のフェーズドアレイアンテナ２が設けられている。フェーズドアレイアンテナ２は、マイクロ波を一例とした電磁波を放射する。
図２に、フェーズドアレイアンテナ２の一例を示す。フェーズドアレイアンテナ２は、同軸ケーブル状をなし、内部導体１２１と、その外側の外部導体１２２と、これらの間に設けられたテフロン（登録商標）等の誘電体１２３とを有する。フェーズドアレイアンテナ２の先端は、長さＤだけ突出した内部導体１２１からなるモノポールアンテナ１１を構成している。モノポールアンテナ１１の寸法（長さＤ）は、電磁波の周波数によって変化する。例えば、マイクロ波の周波数が３００ＭＨｚ～３ＧＨｚの場合、長さＤは、数１０ｍｍ～数１００ｍｍとなる。
モノポールアンテナ１１を、底板９の内面９ａと同じ高さの面であって、誘電体１２３の端部から処理容器１の内部空間に露出させることにより、放射部１２５からマイクロ波が処理容器１内に放射される。ただし、内部導体１２１は、誘電体１２３から飛び出さない構成でもよい。この場合、フェーズドアレイアンテナ２の先端には、外部導体１２２が存在しない切欠き部が形成され、切欠き部を通して内部導体１２１の先端の放射口からマイクロ波が処理容器１内に放射される。なお、例えば、フェーズドアレイアンテナ２を構成するアンテナはヘリカルアンテナなど、モノポールアンテナとは異なる形態のアンテナであってもよい。
かかる構成により、マイクロ波は、マイクロ波出力部６から出力され、制御部８の制御に従い位相器７によって位相制御された後、処理容器１内に放射される。なお、フェーズドアレイアンテナ２の数は７つに限られず、２以上であればよいが、３以上がより好ましい。
図１（ａ）に戻り、各フェーズドアレイアンテナ２の中心から隣り合うフェーズドアレイアンテナ２の中心までの距離Ｐは、マイクロ波の波長λに対してλ／２よりも小さくなるように、概ね等間隔に配置されている。誘電体窓５は、基板保持機構３の下方に、フェーズドアレイアンテナ２と基板保持機構３とから離隔して配置される。誘電体窓５は、例えば、石英、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）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ている。誘電体窓５は、処理容器１の内部を、誘電体窓５の上の空間Ｕと下の空間Ｖとに分ける仕切り板となっている。空間Ｖは大気空間であり、空間Ｕは真空空間である。
フェーズドアレイアンテナ２の上の空間Ｖには、数１０ｍｍ～数１００ｍｍ程度の自由空間が存在し、その上部に設置された誘電体窓５を介して空間Ｕにプラズマが生成される。底板９から誘電体窓５の下面までの垂直距離Ｈは、マイクロ波の波長λに対してλ／４よりも大きい。フェーズドアレイアンテナ２は、空間Ｖにマイクロ波を放射する。空間Ｖには、７つのフェーズドアレイアンテナ２から放射された７本のマイクロ波が伝播する。空間Ｖでは７本のマイクロ波が集められ合成される。合成されたマイクロ波は、誘電体窓５を透過し、空間Ｕを伝播する。
誘電体窓５の上の処理容器１の側壁には周方向に等間隔に複数のガス供給口１５が配置され、複数のガス供給口１５はガス供給部１６に接続されている。ガス供給部１６から供給されたガスは、複数のガス供給口１５から空間Ｕに均等に導入される。空間Ｕでは、ガス供給部１６から供給されたガスから、合成されたマイクロ波のパワーにより局所的なプラズマが生成され、局所的なプラズマにより基板Ｗの裏面を成膜する。これにより、基板Ｗの裏面のプラズマが生成された領域にスポット的に膜Ｓが成膜される。
処理容器１の天井部には、加熱源１２が配置されている。加熱源１２は、例えば複数のＬＥＤ（light emitting diode）から構成され得る。加熱源１２は、複数のＬＥＤにより基板Ｗを加熱する。
プラズマ処理装置１０は、制御部８を有する。制御部８は、プロセッサ、メモリなどの記憶部、入力装置、表示装置、信号の入出力インターフェイス等を備えるコンピュータであり得る。制御部８は、プラズマ処理装置１０の各部を制御する。制御部８では、入力装置を用いて、オペレータがプラズマ処理装置１０を管理するためにコマンドの入力操作等を行う。また、制御部８では、表示装置により、プラズマ処理装置１０の稼働状況を可視化して表示する。さらに、記憶部には、制御プログラム及びレシピデータが格納されている。制御プログラムは、プラズマ処理装置１０で各種処理を実行するために、プロセッサによって実行される。プロセッサが、制御プログラムを実行し、レシピデータに従ってプラズマ処理装置１０の各部を制御する。また、制御部８のプロセッサは、フェーズドアレイアンテナ２毎に備えられた位相器７を制御し、放射部１２５から放射するマイクロ波の位相を制御する。
かかる構成のプラズマ処理装置１０においてプラズマ処理を行う際には、まず、基板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から搬入出口を通り処理容器１内に搬入される。
基板Ｗは、基板保持機構３の上方まで搬送されると、搬送アームから基板保持機構３を上昇させることにより基板保持機構３に載置される。ゲートバルブは基板Ｗを搬入後に閉じられる。処理容器１の内部の圧力は、排気装置により所定の真空度に保持される。ガスが誘電体窓５の上の空間Ｕに導入され、７つのフェーズドアレイアンテナ２から位相を制御されたマイクロ波が空間Ｖに放射される。これにより、誘電体窓５の所定位置にて電界が強まることで、空間Ｕにてガスがプラズマ化したときのプラズマの分布を制御できる。制御部８は、生成されたプラズマにより基板Ｗの湾曲の度合いに応じて基板Ｗの裏面に所定の膜Ｓを成膜する。所定の膜Ｓは、ＳｉＮ、ＳｉＯ２等であり得る。
図１（ｃ）に示すように、比較例にかかるプラズマ処理装置２０では、７つのアンテナ２００から放射されるマイクロ波の位相は同じである。よって、比較例にかかるプラズマ処理装置２０では、マイクロ波の電界により誘電体窓５の上にてプラズマを生成する際、７つのアンテナ２００の配置パターンに電界分布が影響される。この結果、図１（ｄ）に一例を示すように、アンテナ２００の配置パターンに従ってプラズマ分布の強弱が生じる。つまり、基板Ｗに対するプラズマ処理が、アンテナ２００の配置パターンの影響を受けて不均一になりやすい。
しかしながら、アンテナ２００の配置パターンは、物理的な配置であり、予め設定した配置から変更することは困難である。そこで、本実施形態では、フェーズドアレイアンテナ２の配置によらず、誘電体窓５の下方から複数のマイクロ波の位相を制御して放射することで誘電体窓５における電界分布を制御する。これにより、プラズマ分布を制御することが可能なプラズマ処理装置１０を提供する。
すなわち、図１（ａ）に示す本実施形態にかかるプラズマ処理装置１０は、制御部８の制御により、位相器７を用いて７つのフェーズドアレイアンテナ２のそれぞれから放射されるマイクロ波の位相が制御される。これにより、７つのフェーズドアレイアンテナ２のそれぞれから放射されたマイクロ波が干渉を起こし、任意の箇所にて電界強度を高めることができる。これにより、プラズマを局所的に生成することで、高度なプラズマ分布の制御が可能になる。
たとえば、図１（ａ）では、７つのフェーズドアレイアンテナ２から投入されるマイクロ波の位相制御により、空間Ｖを伝播するマイクロ波が干渉を起こし、複数のマイクロ波の合成により誘電体窓５の右側にてマイクロ波の電界強度が高められる。これにより、図１（ｂ）に示すように、空間Ｕにおいて基板Ｗの右側にプラズマが集中するプラズマ分布が得られ、基板Ｗの右側にスポット的に膜Ｓを成膜することが可能になる。
［位相制御］
次に、マイクロ波の位相制御について、図３を参照して説明する。図３は、一実施形態に係るプラズマ処理装置１０に設けられた制御部８が行う位相制御を説明するための図である。図３（ａ）は、フェーズドアレイアンテナ２のうちの一つ（本例では、フェーズドアレイアンテナ２ａ）から放射されるマイクロ波と、誘電体窓５において電界を集中させたい焦点位置Ｏとの関係を示す。焦点位置Ｏに垂直な、底板９の表面の位置をＯ'とし、焦点位置Ｏから底板９の表面の位置Ｏ'までの距離をＺとし、フェーズドアレイアンテナ２ａから放射されるマイクロ波の放射点の位置をＸとすると、以下の式（１）が成り立つ。
Figure 0007233348000001
 式（１）のｋは、マイクロ波を含む電磁波の波数であり、電磁波の波長λの逆数、つまり、k＝１／λで示される。δ（ｘ）は、放射点Ｘから放射される電磁波（本実施形態ではマイクロ波）の位相を示す。
式（１）を変形すると、電磁波の位相δ（ｘ）を求める式（２）が得られる。
Figure 0007233348000002
 式（２）に基づき、放射点Ｘから放射される電磁波の位相δ（ｘ）は、電磁波の波数ｋと距離Ｚと放射点Ｘとから算出される。式（２）は、図３（ｂ）の曲線を描く。
２つ以上のフェーズドアレイアンテナ２から放射されるマイクロ波の、焦点位置Ｏにおける位相を強め合う条件について、図３（ｃ）を参照しながら説明する。７つのフェーズドアレイアンテナ２をフェーズドアレイアンテナ２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄ、２ｅ、２ｆ、２ｇとし、図３（ｃ）では説明の便宜上、フェーズドアレイアンテナ２の実際の位置関係とは異なり離間して横に並べて示す。
制御部８は、フェーズドアレイアンテナ２ａ～２ｇから放射するマイクロ波の各放射点ｘａ～ｘｇから焦点位置Ｏにおける位相を合せるように、フェーズドアレイアンテナ２ａ～２ｇから放射する各マイクロ波の位相δ（ｘａ）～δ（ｘｇ）を制御する。
フェーズドアレイアンテナ２ａ～２ｇの放射点Ｘが異なるため、式（２）に示すように、フェーズドアレイアンテナ２ａ～２ｇから放射されるマイクロ波の位相δ（ｘ）は、位相を制御しないと焦点位置Ｏにおいてずれが生じる。その結果、フェーズドアレイアンテナ２ａ～２ｇのうちの何れかのマイクロ波は、焦点位置Ｏにおいて位相を強め合う条件になっても、他の何れかのマイクロ波は、焦点位置Ｏにおいて位相を弱め合う条件になる。これに対して、本実施形態では、フェーズドアレイアンテナ２ａ～２ｇから放射されるマイクロ波の位相δ（ｘａ）～δ（ｘｇ）をそれぞれ制御することで、焦点位置Ｏにおいて位相を強め合うことができる。例えば、図３（ｃ）に示すフェーズドアレイアンテナ２ａ、２ｂ、２ｃから放射されるマイクロ波の位相は、腹と腹、節と節が合っているため、マイクロ波の位相を強め合う条件になっている。ただし、フェーズドアレイアンテナ２ａ、２ｂ、２ｃから放射されるマイクロ波の位相を強め合う条件に制御しても、フェーズドアレイアンテナ２ｄ～２ｇから放射されるマイクロ波の少なくともいずれかの位相が弱め合う条件である場合がある。この場合、焦点位置Ｏにおいて７つのマイクロ波の位相が強め合う結果とはならない場合がある。
これに対して、本実施形態では、フェーズドアレイアンテナ２ｃ、２ｄ、２ｅ、２ｆ、２ｇから放射されるマイクロ波の位相もマイクロ波を強め合う条件に制御される。これにより、誘電体窓５の焦点位置Ｏにおいて７つのマイクロ波の位相が強め合う条件に各マイクロ波の位相を制御し、マイクロ波の電界を焦点位置Ｏに集中させる制御ができる。
ただし、焦点位置Ｏにおいてマイクロ波の位相を強め合う制御は、フェーズドアレイアンテナ２ａ～２ｇのうちから出力される、最低２つのマイクロ波に対して行い、７つのマイクロ波のすべてに対して焦点位置Ｏにおいて位相を強め合う制御を行わなくてもよい。例えば、フェーズドアレイアンテナ２のうちマイクロ波の位相を制御しないものが１つ以上あってもよい。また、上記説明では、誘電体窓５における焦点位置Ｏは１つであったが、これに限られず、同じタイミングに誘電体窓５における２つ以上の焦点位置Ｏにおける位相を強め合う制御を行っても良い。
なお、図１に示すように、一のフェーズドアレイアンテナ２の中心から隣り合うフェーズドアレイアンテナ２の中心までの距離Ｐは、マイクロ波の波長λに対してλ／２よりも小さい。隣り合うフェーズドアレイアンテナ２の距離（間隔）がλ／２より大きいと、誘電体窓５の焦点位置Ｏにマイクロ波を集められず、焦点位置Ｏにおいてマイクロ波の位相を強め合う制御ができなくなるためである。
以上に説明した位相制御によるマイクロ波の焦点整合は、機械的動作を伴わないため、非常に高速に制御することができる。原理上は、マイクロ波の周波数と同程度の高速制御で、焦点位置Ｏを時間に応じて動かすことが可能である。これにより、フェーズドアレイアンテナ２の位相制御を高速に制御することができる。この結果、誘電体窓５におけるマイクロ波の電界の分布を高速に制御することができ、誘電体窓５の上の空間Ｕにてプラズマを局所的に生成することができる。
マイクロ波の焦点整合は、基板保持機構３と誘電体窓５の間隔を狭める程、マイクロ波の焦点整合状態を示すスポットの直径が小さくなり、局所的なプラズマが生成される。そこで、駆動機構４により基板保持機構３を上下に移動させ、基板保持機構３と誘電体窓５の間隔を調整することで、局所プラズマを基板Ｗの裏面の所望の箇所に照射し所定位置に成膜を行うことが可能になる。これにより、基板Ｗの局所的なストレス緩和が可能になる。更に、制御部８は、基板Ｗの湾曲分布を光学センサ１３や光学モニタ等から取得し、取得した測定値に基づき成膜位置及び膜厚を算出し、算出結果に応じて基板Ｗの裏面の成膜位置に必要な膜厚の膜を成膜するようにフェーズドアレイアンテナ２を制御する。
図４は、一実施形態に係る制御部８による位相制御の一例を示す図である。制御部８は、複数のマイクロ波の位相を時間に応じて変え、プラズマが生じる領域を制御する。図４の例では、制御部８が、位相器７（図４では一つのみ表示）を用いて７つのフェーズドアレイアンテナ２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄ、２ｅ、２ｆ、２ｇからそれぞれ放射されるマイクロ波の位相δ（ｘａ）～δ（ｘｇ）を、焦点位置Ｃにて強め合うように制御する。これにより、焦点位置Ｃを中心としたスポット部分Ａｒにてマイクロ波の電界が強くなるように制御されることを模式的に示している。
制御部８は、位相器７を用いてマイクロ波の位相δ（ｘａ）～δ（ｘｇ）を高速に制御し、焦点位置Ｃを誘電体窓５の表面において、径方向Ｌ１又は周方向Ｌ２等に走査する。これにより、焦点位置Ｃ及び焦点整合部分Ａｒを高速に移動させることで、誘電体窓５の上の空間Ｕにてプラズマを局所的に生成することができる。
また、制御部８は、位相器７を用いてマイクロ波の位相δ（ｘａ）～δ（ｘｇ）を制御する速度を変化させることで焦点整合部分Ａｒの移動速度を変える。これにより、単位時間当たりの平均電界分布を自由に制御することができる。例えば、制御部８が、誘電体窓５の外周側で焦点整合部分Ａｒをゆっくり動かし、内周側で焦点整合部分Ａｒを外周側よりも早く動かすようにマイクロ波の位相δ（ｘａ）～δ（ｘｇ）を制御する速度を変化させる。これにより、誘電体窓５の外周側の電界強度の積分値を内周側の電界強度の積分値よりも強くすることができる。また、誘電体窓５の上の外周側のプラズマ密度を内周のプラズマ密度よりも高く制御する等、プラズマ分布を自由に制御することができる。
［センサ位置］
プラズマ処理装置１０は、基板保持機構３に保持された基板Ｗの湾曲の度合いを測定するセンサを有する。前記センサについて光学センサ１３を一例として図５～図８を参照しながら説明する。図５は、一実施形態に係るプラズマ処理装置１０の光学センサ１３の位置の一例を示す図である。図６は、図５のＡ－Ａ面の一例を示す図である。図７は、一実施形態に係るプラズマ処理装置１０の光学センサ１３の位置の他の例を示す図である。図８は、一実施形態に係るプラズマ処理装置１０の光学センサ１３の位置の他の例を示す図である。
図５～図８に示す光学センサ１３は、基板Ｗの湾曲の度合いを測定する。基板Ｗの湾曲の度合いを示す情報は、基板Ｗの表面Ｕｓの状態、基板Ｗの裏面Ｄｓの状態又は基板Ｗの裏面Ｄｓに成膜された膜Ｓの膜厚のいずれかの測定値であってもよい。図５～図８に示すプラズマ処理装置１０では、光学センサ１３により、基板Ｗの湾曲の度合いを測定しながら、基板Ｗのストレスを緩和し、基板Ｗがフラットになるように基板Ｗの裏面Ｄｓへ成膜する。基板Ｗの湾曲の度合いを測定する測定器としては、光学センサ１３及び制御部８を組み合わせてもよいし、光学センサ１３と光学モニタを合体した測定器を処理容器１に取り付けてもよい。
図５の例では、処理容器１の天井部に、複数の光学センサ１３が取り付けられている。光学センサ１３の数は、図５のＡ－Ａ面である図６（ａ）～（ｃ）に一例が示されている。図６（ａ）の例では、光学センサ１３の数は、天井部の中心に１個、その中心の光学センサ１３の周囲を囲むように８個、合計で９個である。図６（ｂ）の例では、光学センサ１３の数は、天井部の中心に１個、その中心の光学センサ１３の周囲に等距離に４個、合計で５個である。図６（ｃ）の例では、光学センサ１３の数は、図６（ａ）に示す位置に９個、その外周に等間隔に４個、合計で１３個である。
図５に戻り、制御部８は、複数の光学センサ１３から光を透過する透過窓１４を介して所定の周波数の光を基板Ｗの表面Ｕｓに入射させる。そして、その基板Ｗの表面Ｕｓに対する複数の光の反射光を図示しない受光器で受光し、受光した光の状態から基板Ｗの湾曲状態を直接測定する。これによれば、基板Ｗの表面Ｕｓの湾曲状態を直接測定できるため、測定精度が高い。また、光学センサ１３の数が多い程測定精度は高まるが、コストが高くなる。よって、最低でも５個の光学センサ１３を図６（ｂ）に示す位置に配置すれば基板Ｗの湾曲状態を測定でき、コストの増加を抑えることができる。一方、測定精度を考慮すると、９個の光学センサ１３を図６（ａ）に示す位置に配置することが好ましく、１３個の光学センサ１３を図６（ｃ）に示す位置に配置することが更に好ましい。
図７の例では、処理容器１の側壁に光学センサ１３が取り付けられている。光学センサ１３は、光軸の向きを変えることができる。光学センサ１３は、基板Ｗの湾曲状態を測定するために、処理容器１の側壁から光を透過窓１４を介して基板Ｗの裏面Ｄｓに対して斜めに入射させる。光は、光軸の向きを変えて基板Ｗの裏面Ｄｓを走査する。その光の反射を、反対側の透過窓１４を介して受光器１７で受光する。受光した光の状態から基板Ｗの湾曲状態を測定する。この場合にも、入射された光の反射により基板Ｗの湾曲状態を直接測定するため、測定精度が高い。
ただし、基板Ｗの湾曲状態は、膜厚計を用いて基板Ｗの裏面Ｄｓの膜Ｓの厚さを測定することで間接的に測定してもよい。たとえば、図８の例では、光学センサ１３は処理容器１の底板９に取り付けられている。複数の光学センサ１３から透過窓１４を介して所定の周波数の光を処理容器１の底部から入射する。光は、誘電体窓５を透過し、基板Ｗの裏面Ｄｓに入射して反射する。反射光を図示しない受光器で受光し、受光した光の状態から基板Ｗの裏面Ｄｓに成膜された膜厚を測定する。膜厚と基板Ｗの湾曲状態（反り）との相関関係は予め測定され、関係式や相関関係を示す情報として制御部８に記憶されている。よって、基板Ｗの裏面の膜厚を測定することで、基板Ｗの湾曲状態を間接的に予測できる。
以上に説明したように、基板Ｗの湾曲の度合いを示す情報は、光学センサ１３を用いて基板Ｗの表面Ｕｓの状態、基板Ｗの裏面Ｄｓの状態又は基板Ｗの裏面の膜厚のいずれかを測定した結果に基づき取得可能である。制御部８は、光学センサ１３により測定された基板Ｗの湾曲の度合いを示す情報に応じて、フェーズドアレイアンテナ２から放射する複数のマイクロ波の位相を制御する。
なお、光学センサ１３により湾曲状態を測定する対象となる基板は、製品用の基板Ｗと同一の成膜条件に基づき表面を成膜したダミー基板であってもよいし、製品用の各基板Ｗであってもよいし、複数の基板Ｗのうちの少なくともいずれかの基板Ｗであってもよい。複数の基板のうちの少なくともいずれかの基板Ｗとしては、ロットの最初の基板Ｗ、ロットの最後の基板Ｗ等であってもよい。ただし、測定の対象となる基板は、これに限られない。
例えば、同一の成膜条件によって基板Ｗを処理する場合、同一の成膜条件によって表面Ｕｓに成膜したダミー基板に対して湾曲状態を測定した測定値を、同一の成膜条件によって表面Ｕｓに成膜した全基板Ｗに対する裏面Ｄｓの成膜の制御に使用してもよい。ただし、これに限られず、例えば、同一の成膜条件によって基板Ｗを処理する場合であっても、基板Ｗ毎に測定しながら各基板Ｗの測定結果に基づき裏面Ｄｓの成膜を制御してもよい。これによれば、基板毎に湾曲状態が異なる場合であっても基板Ｗの裏面Ｄｓの適切な領域に適切な厚さの膜Ｓを成膜でき、基板Ｗ毎にストレスを緩和し、湾曲を解消することができる。
プラズマ処理装置１０には、光学センサ１３等の測定器を取り付けなくてもよい。この場合、予め定められた成膜条件に基づき基板Ｗの表面Ｕｓを成膜した後、図示しないオリエンタに基板Ｗを搬送し、オリエンタにて基板Ｗを回転しながら、例えば、基板Ｗの表面に光を入射させ、光の反射により基板Ｗの湾曲の度合いを測定してもよい。その測定値は、オリエンタに設けられた制御部からプラズマ処理装置１０の制御部８に送信される。これにより、制御部８は、受信した基板Ｗの湾曲の度合いを示す測定値に応じて、フェーズドアレイアンテナ２から放射する複数のマイクロ波の位相を制御する。
［プラズマ処理方法］
次に、プラズマ処理装置１０にて実行されるプラズマ処理方法の一例について、図９を参照して説明する。図９は、一実施形態に係るプラズマ処理方法の一例を示すフローチャートである。なお、本処理は制御部８により制御される。また、図９に示すプラズマ処理方法ＳＷは、一枚目はダミー基板の裏面に成膜し、二枚目から製品用の基板Ｗの裏面に成膜してもよい。
本処理が開始されると、制御部８は、基板Ｗを処理容器１内に搬入し、基板保持機構３に保持し、基板Ｗを準備する（ステップＳ１）。次に、制御部８は、光学センサ１３により基板Ｗの湾曲状態を測定する（ステップＳ２）。次に、制御部８は、ガス供給部１６からガスを供給する（ステップＳ３）。次に、制御部８は、マイクロ波出力部６からマイクロ波を出力する（ステップＳ４）。
次に、制御部８は、位相器７を使用して、基板Ｗの湾曲状態を示す測定値に基づき、７つのフェーズドアレイアンテナ２から放射される各マイクロ波の位相を制御する（ステップＳ５）。これにより、位相を制御された各マイクロ波を、各フェーズドアレイアンテナ２から処理容器１内に放射する。また、位相を制御された各マイクロ波が空間Ｖにおいて干渉し、マイクロ波を焦点整合させる。これにより、誘電体窓５と基板保持機構３との間に局所的なプラズマが生成される。制御部８は、局所的なプラズマにより、基板Ｗの裏面Ｄｓに局所的な成膜を行う（ステップＳ６）。
次に、制御部８は、成膜処理を終了するかを判定する（ステップＳ７）。制御部８は、成膜処理を終了しないと判定すると、光学センサ１３により再度基板Ｗの湾曲状態を測定する（ステップＳ８）。そして、制御部８は、位相器７を使用して、測定結果に基づき７つのフェーズドアレイアンテナ２から放射される各マイクロ波の位相を制御し（ステップＳ５）、基板Ｗの裏面Ｄｓに局所的な成膜を行う（ステップＳ６）。制御部８は、ステップＳ７において、成膜処理を終了すると判定するまで、ステップＳ５～Ｓ８の処理を繰り返し、制御部８は、成膜処理を終了すると判定すると本処理を終了する。制御部８は、ステップＳ８における測定結果に基づき、基板Ｗの湾曲状態が許容範囲内になったと判定したとき、ステップＳ５～Ｓ６を行わずに、ステップＳ７において、成膜処理を終了してもよい。なお、本処理の終了時には、マイクロ波の出力を停止し、ガスの供給を停止する。
かかるプラズマ処理方法によれば、基板Ｗの裏面側にフェーズドアレイアンテナ２を設置し、基板の湾曲状態を測定し、測定結果を各フェーズドアレイアンテナ２にフィードバックして各マイクロ波の位相を制御する。これにより、基板Ｗの裏面Ｄｓの所定領域を成膜することで、基板のストレスを緩和できる。
かかる処理方法により裏面成膜した基板Ｗは、他の処理容器に搬送し、基板Ｗの湾曲状態を再度測定し、基板Ｗの湾曲が予め定められた許容範囲外であれば再びプラズマ処理装置１０に基板Ｗを搬送し、再び基板Ｗの裏面Ｄｓを成膜してもよい。
［位相制御のシミュレーション結果］
図１０（ａ）に示すように、制御部８が位相器７を使用して１９のフェーズドアレイアンテナ２から出力されるマイクロ波の位相を制御したときの、一実施形態に係る誘電体窓５における電界分布のシミュレーション結果の一例を、図１０（ｂ）及び（ｃ）に示す。
このシミュレーション条件としては、１９のフェーズドアレイアンテナ２から同じパワーのマイクロ波が放射されるように設定した。図１０（ａ）～（ｃ）に示すマイクロ波の電界強度は、色の濃い部分でより電界強度が高い状態を示す。
図１０（ｂ）は誘電体窓５の中心付近に焦点位置Ｃ１を中心とした焦点整合部分Ａｒが形成されるよう、マイクロ波の位相δ（ｘ）を制御した際の電界強度分布である。
その後、図１０（ｃ）に示すように、マイクロ波の位相δ（ｘ）を、誘電体窓５の焦点位置Ｃ２にて位相を強め合うように制御した結果、焦点位置Ｃ２を中心とした焦点整合部分Ａｒにてマイクロ波の電界が強くなった。かかるシミュレーションにより、位相制御による自由な焦点整合制御が可能であることが確かめられた。
以上に説明したように、本実施形態のプラズマ処理装置１０によれば、フェーズドアレイアンテナ２の配置によらずに、誘電体窓５における電界分布を変えることができる。これにより、位相制御による自由な焦点整合制御が可能になり、プラズマの分布を自由に制御することができる。
かかる制御により、図１１に示すように、基板Ｗの湾曲状態を解消できる。例えば、基板Ｗの中央が凹むようにお椀状に反っている場合、例えば、基板Ｗの裏面Ｄｓの全面を成膜する。その際、膜Ｓの外周側の膜厚Ｓｅを中央側の膜厚Ｓｃよりも厚くする。これにより、基板Ｗのストレスを緩和し、基板Ｗをフラットにすることができる。
ただし、成膜方法はこれに限られず、例えば、基板Ｗの裏面Ｄｓの中央側を成膜し、外周側を成膜しなくてもよい。また、基板Ｗの湾曲状態によっては、基板Ｗの裏面Ｄｓの外周側を成膜し、中央側を成膜しなくてもよい。
裏面Ｄｓに成膜される膜が圧縮応力膜か引張応力膜かは、膜種だけでなく、同種の膜でも成膜条件によって変わる。よって、基板Ｗの湾曲状態を示す測定結果に応じて、成膜位置、膜種及び成膜条件の少なくともいずれかを適正にすることでも、基板Ｗの湾曲状態を解消し、基板Ｗをフラットにすることができる。
本開示のプラズマ処理装置１０は、マイクロ波を放射するプラズマ処理装置を一例に挙げて説明したが、これに限られない。本開示のプラズマ処理装置１０が有するフェーズドアレイアンテナ２は、マイクロ波に限られず、ＵＨＦ等、周波数が１００ＭＨｚ以上の電磁波を放射してもよい。フェーズドアレイアンテナ２は、更に好ましくは、周波数が１ＧＨｚ～３ＧＨｚの範囲の電磁波を放射することが良い。周波数が高いほど、より高速な位相制御が可能になる。
また、上記実施形態では誘電体窓５の上の空間Ｖは、大気空間であるが、これに限られない。例えば、誘電体窓５の下の空間Ｖを誘電体窓５と同じ材料又は異なる材料の誘電体で埋めてもよい。空間Ｖを誘電体にて埋めることで誘電体を伝播するマイクロ波の波長を短くできるため、プラズマ処理装置１０を小さくすることができる。
上記実施形態では、空間Ｖを大気空間としたが、空間Ｖを真空空間にしてもよい。ただし、空間Ｖを真空空間にした場合、真空空間で位相制御を行うことになり、空間Ｖにおいてプラズマが生成される恐れがある。以上から、空間Ｖは大気空間であることがより好ましい。また、放射部１２５と誘電体窓５との距離をマイクロ波の波長λの１／４より大きくすることで、誘電体窓５にてマイクロ波を十分に焦点整合させることができる。
以上に説明したように、本実施形態のプラズマ処理装置及びプラズマ処理方法によれば、基板Ｗの下にフェーズドアレイアンテナ２を設置する。これにより、基板の湾曲状態を測定した結果を用いてフェーズドアレイアンテナ２をフィードバック制御し、基板Ｗの裏面Ｄｓを局所的に成膜することができる。これにより、基板Ｗのストレスを緩和し、基板Ｗをフラットにすることができる。
今回開示された一実施形態に係るプラズマ処理装置及びプラズマ処理方法は、すべての点において例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。上記の実施形態は、添付の請求の範囲及びその主旨を逸脱することなく、様々な形態で変形及び改良が可能である。上記複数の実施形態に記載された事項は、矛盾しない範囲で他の構成も取り得ることができ、また、矛盾しない範囲で組み合わせることができる。
１ 処理容器
２ フェーズドアレイアンテナ
３ 基板保持機構
５ 誘電体窓
６ マイクロ波出力部
７ 位相器
８ 制御部
９ 底板
１０ プラズマ処理装置
１１ モノポールアンテナ
１２ 加熱源
１２１ 内部導体
１２２ 外部導体
１２５ 放射部
Ｗ 基板

Claims (14)

  1. 処理容器と、
    前記処理容器内に配置され、基板が保持される基板保持機構と、
    前記基板保持機構の下方に配置される誘電体窓と、
    前記誘電体窓の下方に配置され、複数の電磁波を放射するフェーズドアレイアンテナと、
    を有するプラズマ処理装置。
  2. 前記基板保持機構に保持された前記基板の湾曲の度合いを測定するセンサを有する、
    請求項１に記載のプラズマ処理装置。
  3. 前記センサにより測定された前記基板の湾曲の度合いに応じて、前記フェーズドアレイアンテナから放射する複数の前記電磁波の位相を制御する制御部を有する、
    請求項２に記載のプラズマ処理装置。
  4. 前記誘電体窓と前記基板との間のプラズマを生成する空間にガスを供給するガス供給部を有し、
    前記制御部は、前記空間にて前記ガスから生成されたプラズマにより、前記基板の湾曲の度合いに応じた前記基板の裏面成膜を制御する、
    請求項３に記載のプラズマ処理装置。
  5. 前記制御部は、複数の前記電磁波の位相を時間に応じて変え、前記基板の裏面成膜を制御する、
    請求項４に記載のプラズマ処理装置。
  6. 前記基板保持機構は、駆動機構に接続され、
    前記駆動機構により前記処理容器内にて上下方向に移動可能である、
    請求項１～５のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。
  7. 前記フェーズドアレイアンテナから前記誘電体窓までの垂直距離は、前記電磁波の波長λに対してλ／４よりも大きい、
    請求項１～６のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。
  8. 前記フェーズドアレイアンテナのそれぞれは、モノポールアンテナを有する、
    請求項１～７のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。
  9. 前記フェーズドアレイアンテナの中心から隣り合う前記フェーズドアレイアンテナの中心までの距離は、前記電磁波の波長λに対してλ／２よりも小さい、
    請求項１～８のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。
  10. 複数の前記電磁波の周波数は、１００ＭＨｚ以上である、
    請求項１～９のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。
  11. 複数の前記電磁波の周波数は、１ＧＨｚ～３ＧＨｚである、
    請求項１０に記載のプラズマ処理装置。
  12. 処理容器と、前記処理容器内に配置され、基板が保持される基板保持機構と、前記基板保持機構の下方に配置される誘電体窓と、前記誘電体窓の下方に配置され、複数の電磁波を放射するフェーズドアレイアンテナと、を有するプラズマ処理装置において実行され、
    基板を前記基板保持機構に保持する工程と、
    前記フェーズドアレイアンテナから放射する複数の前記電磁波の位相を制御する工程と、
    位相を制御された複数の前記電磁波のそれぞれを、対応する前記フェーズドアレイアンテナのそれぞれから前記処理容器内に放射する工程と、
    前記誘電体窓と前記基板との間のプラズマを生成する空間にガスを供給する工程と、
    前記空間にて生成されたプラズマにより、基板の湾曲の度合いを示す情報に基づき前記基板の裏面を成膜する工程と、
    を有するプラズマ処理方法。
  13. 前記基板の湾曲の度合いを示す情報は、前記基板の裏面の状態、前記基板の表面の状態又は前記基板の裏面の膜厚のいずれかの測定値である、
    請求項１２に記載のプラズマ処理方法。
  14. 前記基板の湾曲の度合いの測定は、予め定められた成膜条件に基づき表面を成膜されたダミー基板に対して行われるか、前記成膜条件に基づき表面を成膜された基板毎に行われるか、前記成膜条件に基づき表面を成膜された複数の前記基板のうちの少なくともいずれかの基板に対して行われる、
    請求項１２又は１３に記載のプラズマ処理方法。
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