JP7301727B2 - 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。
例えば、特許文献１は、真空容器のなかで向かい合う２つの電極面の間で形成されるプラズマプロセス空間で高周波プラズマが生成され、一方の電極面は誘電性材料からできており、誘電性材料は、厚みが周辺領域で中心領域よりも小さくなる構成を提案している。
また、例えば、特許文献２は、上部電極は、下部電極に対向する電極板を備え、電極板は、導電体または半導体で構成された外側部分と、誘電体部材または外側部分より高抵抗の高抵抗部材で構成された中間部分とを有する構成を提案している。上部電極には、その下部電極と反対側の面から高周波電力が印加される。
特開２０１２－２５６６０４号公報 特開２０００－３２３４５６号公報
本開示は、プラズマ密度の面内均一性を向上させることができる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、処理容器内に設けられた載置台と上部電極とを有するプラズマ処理装置であって、前記上部電極は、前記載置台と対向する誘電体板と、前記誘電体板の前記載置台に対向する面の反対側に形成された導体と、を有し、前記誘電体板は、中心部と、外周部と、前記中心部と前記外周部との間の中間部とを有し、前記中間部の厚さは、前記中心部と前記外周部との厚さよりも厚い、プラズマ処理装置が提供される。
一の側面によれば、プラズマ密度の面内均一性を向上させることができる。
実施形態に係るプラズマ処理装置を示す断面模式図。 実施形態に係る誘電体板の上面を示す図。 実施形態及びその変形例の誘電体板と電界エネルギーＥ２を比較例と比較して示す図。 実施形態のプラズマ処理方法を示すフローチャート。 実施形態の変形例に係るプラズマ処理装置を示す断面模式図。
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］
まず、実施形態に係るプラズマ処理装置１について、図１を参照しながら説明する。図１は、実施形態に係るプラズマ処理装置１を示す断面模式図である。図１に示すプラズマ処理装置１は、処理容器１０、載置台１２、上部電極１４、及び導波部２０を有する。
処理容器１０は、略円筒形状を有し、鉛直方向に沿って延在している。処理容器１０の中心軸線は、鉛直方向に延びる軸線ＡＸである。処理容器１０は、アルミニウム又はアルミニウム合金といった導体から形成されている。処理容器１０の表面上には、耐腐食性を有する膜が形成されている。耐腐食性を有する膜は、例えば酸化アルミニウム又は酸化イットリウムといったセラミックスである。処理容器１０は、接地されている。
載置台１２は、処理容器１０内に設けられている。載置台１２は、その上面に載置された基板Ｗを略水平に支持するように構成されている。載置台１２は、略円盤形状を有している。載置台１２の中心軸線は、軸線ＡＸに略一致している。
プラズマ処理装置１は、バッフル部材１３を更に備えていてもよい。バッフル部材１３は、載置台１２と処理容器１０の側壁との間で延在している。バッフル部材１３は、略環状の板材である。バッフル部材１３は、例えば、酸化アルミニウムといった絶縁体から形成されている。バッフル部材１３には、複数の貫通孔が形成されている。複数の貫通孔は、バッフル部材１３をその板厚方向に貫通している。載置台１２の下方において処理容器１０には、排気口１０ｅが形成されている。排気口１０ｅには、排気装置が接続されている。排気装置は、圧力制御弁並びにターボ分子ポンプ及び／又はドライポンプといった真空ポンプを含んでいる。排気装置により、処理容器１０内を真空引きする。
上部電極１４は、処理容器１０内のプラズマ処理空間（以下、空間ＳＰという。）を介して載置台１２の上方に設けられている。上部電極１４の中心軸線は、軸線ＡＸに略一致している。上部電極１４は、略円盤形状を有している。上部電極１４は、誘電体板１８と導体１７とを有する。載置台１２と誘電体板１８とは対向し、載置台１２と誘電体板１８との間の空間ＳＰにてプラズマが生成される。
誘電体板１８は、例えばセラミックスから形成され、高周波（電磁波）を透過する。誘電体板１８の下面は空間ＳＰに露出し、誘電体板１８を透過した電磁波は空間ＳＰに放射される。導体１７は、誘電体板１８の空間ＳＰに露出する面の反対面に形成される。導体１７は、金属メッシュ又は金属膜で形成されてもよい。導体１７の材料は、タングステンまたはモリブデンであるが、他の導電性材料であってもよい。上部電極１４は、さらに基台１９を有し、基台１９は、導体１７を挟んで誘電体板１８の反対側に設けられる。基台１９は、アルミニウム等の金属であってもよい。ただし、基台１９は金属に限られず、その他の材料で形成されてもよい。また、導体１７を設けない場合には、基台１９の誘電体板１８との接触面を導体１７として扱うことができる。上部電極１４の中心軸線は、軸線ＡＸに略一致している。
円筒部材２４は、略円筒形状を有し、アルミニウム又はアルミニウム合金といった導体から形成されている。円筒部材２４の中心軸線は、軸線ＡＸに略一致している。円筒部材２４は、鉛直方向に延在している。円筒部材２４の下端面は、処理容器１０の上端面に接触する。処理容器１０は接地されている。したがって、円筒部材２４は、接地されている。円筒部材２４の上端には、基台１９の上面と共に導波通路ｒを構成する上壁部２２１が位置している。
プラズマ処理装置１は、空間ＳＰに高周波を供給するために導波部２０（導波通路ｒ）を備えている。導波部２０は、上部電極１４の周縁部の外側に導波路１５を有する。導波路１５は、高周波を空間ＳＰに導入する部分である。高周波は、ＶＨＦ波である。導波路１５は、空間ＳＰの横方向端部に設けられている。
導波路１５は、鉛直方向に沿って延びる円筒状の部材である。導波路１５の中心軸線は、軸線ＡＸに略一致している。導波路１５は、石英、テフロン（登録商標）等の誘電体から形成されている。なお、導波路１５は、空間であってもよい。導波部２０は更に導波路２０１を有する。導波路２０１は、上部電極１４の上面と円筒部材２４の上壁面との間の空間によって提供されており、これらはアルミニウム又はアルミニウム合金といった導体から構成することができる。
導波部２０の内壁を構成する上部電極１４の上面には、高周波電源３０が、整合器３２を介して電気的に接続されている。高周波電源３０は、高周波を発生する電源である。整合器３２は、高周波電源３０から見た負荷側のインピーダンスを高周波電源３０の出力インピーダンスに整合させるための整合回路を含んでいる。
プラズマ処理装置１では、高周波は、高周波電源３０から導波部２０の導波路２０１及び導波路１５を介して誘電体板１８の外周側に伝播し、誘電体板１８を透過して誘電体板１８の下面から空間ＳＰに供給される。高周波はＶＨＦ波である。高周波はＵＨＦ波でもよい。
円筒部材２４の下面と処理容器１０の本体の上端面との間には、封止部材２５が介在している。導波路１５の下面と処理容器１０の本体の上端面との間には、封止部材１２５が介在している。封止部材２５及び封止部材１２５の各々は、弾性を有し、例えば、ゴム製のＯリングである。封止部材２５及び封止部材１２５の各々は、軸線ＡＸの周りで周方向に延在している。なお、導波路１５の下面は、処理容器１０の本体の上端面で覆われることなく、空間ＳＰに開放された形態であってもよい。この場合、導波路１５の下面近傍の処理容器１０の傾斜面の位置を、導波路１５の下端が処理空間ＳＰに露出する位置まで削った形態にし、封止部材１２５は配置しなくてもよい。
基台１９の下面と誘電体板１８（及び導体１７）との間には、ガス拡散用の空間２２５が画成されている。空間２２５には、配管４０が接続されている。配管４０には、ガス供給器４２が接続されている。ガス供給器４２は、基板Ｗの処理のために用いられる一つ以上のガス源を含む。また、ガス供給器４２は、一つ以上のガス源からのガスの流量をそれぞれ制御するための一つ以上の流量制御器を含む。
配管４０は、空間２２５に延びている。導波部２０が提供する導波路２０１は、接地された導体によって構成されている。したがって、配管４０内でガスが励起されることが抑制される。空間２２５に供給されたガスは、誘電体板１８の複数のガス吐出孔１８ｈを介して、空間ＳＰに吐出される。
誘電体板１８の厚みは略逆Ｗ字形状（外周部が薄く、中間部が厚く、中央部が薄い）になっている。これにより、高周波による電界を均一に空間ＳＰ内に形成することができる。空間ＳＰに形成された高周波の電界により、ガスが空間ＳＰ内で励起されて、当該ガスからプラズマが生成される。これにより、プラズマは、空間ＳＰ内で均一な密度分布で生成される。載置台１２上の基板Ｗは、プラズマからの化学種によって処理される。
なお、載置台１２には、静電チャック用の導電層と、ヒータ用の導電層が設けられている。載置台１２は、本体と、静電チャック用の導電層と、ヒータ用の導電層とを有している。載置台１２は、下部電極として機能させるためのアルミニウムなどの導電体としてもよいが、一例としては、窒化アルミニウムといった絶縁体から形成されている。載置台１２は、略円盤形状を有している。載置台の導電層は、導電性を有する材料、例えばタングステンから形成されている。この導電層は、本体内に設けられている。直流電源からの直流電圧が、静電チャック用の導電層に印加されると、載置台１２と基板Ｗとの間で静電引力が発生する。発生した静電引力により、基板Ｗは、載置台１２に引き付けられ、載置台１２によって保持される。別の実施形態において、この導電層は、高周波電極であってもよい。この場合には、導電層には、高周波電源が整合器を介して電気的に接続される。更に別の実施形態において、導電層は、接地される電極であってもよい。このような絶縁体に埋め込まれた導電層は、上部電極との間の電界を形成するための下部電極としても機能させることができる。
［誘電体板］
実施形態においては、上部電極１４の基台１９の下に、ガス拡散用の空間２２５を介して、誘電体板１８が配置される。基台１９の下面は、中心と外周が凸状になり、中間はリング状に凹んでいる。基台１９の下に形成されたガス拡散用の空間２２５は、基台１９の下面に沿って中心と外周が凹み、中間が凸状になっている。空間２２５には、ガス供給器４２からのガスが流通する。ガス拡散用の空間２２５は、水平方向にガスが拡散するように連通している。
実施形態において、ガス拡散用の空間２２５の下方の誘電体板１８には、複数のガス吐出孔１８ｈが形成されている。ガス吐出孔１８ｈは、ガス供給器４２からのガスを空間ＳＰに吐出するガス供給用の貫通孔である。複数のガス吐出孔１８ｈの各々は、誘電体板１８の上面から下面に至るまで誘電体板を貫通している。複数のガス吐出孔の各々は、上部孔１８ｈ１と下部孔１８ｈ２とを備える。上部孔１８ｈ１は、誘電体板１８の上面側に設けられ、下部孔１８ｈ２は、誘電体板１８の下面側に設けられる。上部孔１８ｈ１の径は、下部孔１８ｈ２の径よりも大きい。
複数のガス吐出孔１８ｈの各々において、下部孔１８ｈ２は、上部孔１８ｈ１の下方に延びており、上部孔１８ｈ１に連通している。上部孔１８ｈ１は、空間２２５に連通している。下部孔１８ｈ２は、空間ＳＰに連通している。複数のガス吐出孔１８ｈは、それらが形成されている箇所の誘電体板１８の厚みの大きさに応じて長さが大きくなるように調整された大径の上部孔１８ｈ１を有する。複数のガス吐出孔１８ｈにおいて、複数の下部孔１８ｈ２の長さＬ１は略同一である。
誘電体板１８の材料はセラミックスである。誘電体板１８を構成する材料は、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）及び酸化イットリウム（Ｙ２Ｏ３）からなる誘電体群のうち少なくともいずれか一種を含むことができる。本例では窒化アルミニウムであるとするが、誘電体板１８の材料としては、他の材料を用いることもできる。
誘電体板１８の上面には、上部電極として機能する導体１７が設けられている。導体１７には、グランド電位との間に、高周波電圧が与えられる。導体１７の材料は、例えば、アルミニウム、ニッケル、ステンレス、タングステン、モリブデン、銅、又は金である。導体１７を構成する導電膜材料は、溶射法、スパッタ法又は化学的気相成長（ＣＶＤ：Chemical Vapor Deposition）法によって、誘電体板１８の上面上に堆積することができる。
なお、シャワープレートを構成する誘電体板１８の少なくとも下面には、耐腐食性を有する膜が形成されていてもよい。耐腐食性を有する膜は、酸化イットリウム膜、オキシフッ化イットリウム及びフッ化イットリウムからなる群のうち少なくともいずれか一種を含むことができる。耐腐食性を有する膜は、その他のセラミックス材料を用いることもできる。
図２は、実施形態に係る誘電体板１８の上面を示す図である。誘電体板１８は、平面視において、中心部Ｒａ、中間部Ｒｂ、外周部Ｒｃの３つの領域を有している。中間部Ｒｂは、中心部Ｒａと外周部Ｒｃとの間に位置する。つまり、中心部Ｒａを囲むように中間部Ｒｂが同心円状に配置され、中間部Ｒｂを囲むように外周部Ｒｃが同心円状に配置されている。
図１に示すように、中心部Ｒａの上面及び下面は平坦であり、一定の厚みを有する。中間部Ｒｂの上面及び下面は、平坦であり、一定の厚みを有する。外周部Ｒｃの上面及び下面は、平坦であり、一定の厚みを有する。中間部Ｒｂの厚さは、中心部Ｒａと外周部Ｒｃとの厚さよりも厚い。実施形態では、中心部Ｒａと外周部Ｒｃの厚さは、同一である。ただし、これに限られず、中心部Ｒａと外周部Ｒｃの厚さは異なっていてもよい。
かかる構成により、誘電体板１８の厚みは、略逆Ｗ字型に形成されている。具体的には、誘電体板１８の上面は、中心部Ｒａと外周部Ｒｃとが、中間部Ｒｂに対して低くなる段差を有している。誘電体板１８の厚みを略逆Ｗ字に形成することで、プラズマ密度の面内均一性を向上させることができる。なお、実施形態では、中心部Ｒａと中間部Ｒｂとの段差は垂直に形成されているが、これに限られず階段状に形成されてもよく、緩やかな傾斜状に形成されてもよい。また、中間部Ｒｂと外周部Ｒｃとの段差は垂直に形成されているが、これに限られず階段状に形成されてもよく、緩やかな傾斜状に形成されてもよい。
図３（ａ）～図３（ｃ）は、軸ＡＸを右端にして左半分の誘電体板及びその周辺の上部電極１４及び導波部２０を示す。図３（ａ）は、比較例に係る誘電体板１８０を示す。比較例に係る誘電体板１８０の上面は凸レンズ形状であり、中心から外周に向かってなだらかに下降する傾斜を有する。図３（ｂ）は、実施形態に係る誘電体板１８の形状を示す。図３（ｃ）は、実施形態の変形例に係る誘電体板１８の形状を示す。
実施形態及び変形例に係る誘電体板１８は、比較例に係る誘電体板１８０と比べてプラズマ密度の面内均一性を向上させることができる。これを証明するシミュレーション結果とその理由について説明する。最初に、上部電極１４の下面（プラズマ形成面）に金属板を設けた場合（図示省略）について説明する。この場合、金属の下面を伝播する表面波プラズマに高次のモードが出現するために、プラズマ密度分布が不均一になる。
そこで、比較例では、図３（ａ）に示すように上部電極１４の下面に金属板に替えてセラミックスの誘電体板１８０を設ける。これにより、誘電体板１８０の下面を伝播する表面波プラズマに高次のモードが出現することを抑制することができる。
しかしながら、これによればプラズマ密度分布の均一性に改善が得られるものの、完全にプラズマ密度の面内均一性が図れるまでには至っていなかった。図３（ｄ）～（ｆ）は、誘電体板１８０及び誘電体板１８の中心０から径方向に１５０ｍｍまでの位置ｘ（ｍｍ）とＥ２（Ｅ：電界）で示される電界エネルギーとの関係を示すグラフである。電界Ｅは、誘電体板１８の下に形成されるシース電界である。
図３（ｄ）～（ｆ）のシミュレーション結果を得るために、高周波電源としてＶＨＦ波を用い、基台１９にプラズマ生成用の高周波を印加した。誘電体板１８及び誘電体板１８０の直径は３００ｍｍ、材料はＡｌＮである。図３（ｂ）の誘電体板１８の中間部Ｒｂの厚みは２．０ｃｍ、中心部Ｒａ及び外周部Ｒｃの厚みは０．５ｃｍである。導体１７はＡｌの溶射により形成した。比較例では、実施形態と異なり、誘電体板１８０の厚みは中心部が２．０ｃｍ、外周部が０．５ｍｍであり、中心から外周に向かってなだらかに傾斜する。
図３（ｄ）のグラフから明らかなように、図３（ａ）に示す比較例の誘電体板１８０では、電界エネルギーＥ２の値は、外周部が高く中心部に行くほど低くなった。電界エネルギーＥ２は、プラズマ密度と相関関係がある。電界エネルギーＥ２は、径方向のある位置における電界エネルギーの高さ方向（上部電極１４と載置台１２の間）の積算分布であり、この積算分布がプラズマ密度分布とほぼ一致する。よって、図３（ａ）に示す比較例の誘電体板１８０では、プラズマ密度分布の均一性が図れるまでには至っていないことがわかる。
これに対して、図３（ｂ）に示す実施形態に係る誘電体板１８では、厚みを略逆Ｗ字型にした。これにより、図３（ｅ）のグラフに示すように、誘電体板１８の中心０から径方向に１５０ｍｍまでの領域にて電界エネルギーＥ２が均一になる。これにより、実施形態に係る誘電体板１８では、直径３００ｍｍの基板Ｗの上方にてプラズマ密度分布の均一性が図れることがわかった。
誘電体板１８の厚みを略逆Ｗ字型にすることでなぜプラズマ密度分布の均一性が図れるのかについて、２つの理由を説明する。まず一つ目の理由であるが、プラズマの密度分布は、プラズマ中の電界分布で決まる。誘電体板１８の替わりに金属（導体）を使用した場合、上部電極１４の外側の導波路１５から伝播する高周波の電界は、軸ＡＸにて示す中心まで届かない。このため中心部の電界を高くするためには、誘電体板１８の材質をセラミックス等の誘電体にする。これにより、高周波が誘電体の内部を透過することで高周波の電界が全体的に届きやすくなる。
更に、誘電体板１８の厚みを略逆Ｗ字形状にし、下面を平坦にすることで、中心部Ｒａ及び外周部Ｒｃを中間部Ｒｂよりも薄くする。これにより、高周波の通る誘電体板１８の経路が、中心部Ｒａ及び外周部Ｒｃでは中間部Ｒｂよりも狭くなる。中心部Ｒａまで高周波を伝播させるためには、中心部Ｒａに向かう途中の中間部Ｒｂの経路はある程度広くして、高周波が通り易いようにしておく。
また、外周部Ｒｃの厚さは、中間部Ｒｂの厚さよりも薄くする。これは、高周波が外周側から中心に向かって伝播するため、外周部Ｒｃは中間部Ｒｂよりも電界が強くなり易い。よって、外周部Ｒｃと中間部Ｒｂとを同じ厚さにすると、外周部Ｒｃにおいて中間部Ｒｂよりも強い電界が生じ、外周部Ｒｃから中間部Ｒｂを介して中心部Ｒａへ高周波が伝播する途中で高周波の伝播が途切れ、中心部Ｒａまで高周波が伝播しないことが想定される。
そこで、中心部Ｒａまで伝播した高周波の電界をある程度強くするために、誘電体板１８の外周部Ｒｃ及び中心部Ｒａに凹みを作り、高周波が伝播する経路を狭くしている。実施形態に係る誘電体板１８では、外周部Ｒｃの厚さを中間部Ｒｂの厚さよりも薄くする。これにより、外周部Ｒｃで電界が弱まり、外周部Ｒｃから中間部Ｒｂへ高周波が伝播し易くなる。この結果、中間部Ｒｂから中心部Ｒａへも高周波が伝播し易くなり、中心部Ｒａまで電磁波を伝播させることができる。したがって、中心部Ｒａにおいて高周波の電界を強くすることができ、図3（ｂ）に示すように電界エネルギーＥ２が誘電体板１８の径方向で均一になる。以上から、誘電体板１８の厚みを逆Ｗ字型にすることでプラズマ密度分布の均一性を図り、基板Ｗの上方でプラズマを均一に生成できる。
二つ目の理由としては、誘電体板１８の厚みを略逆Ｗ字型にすることで、導波路１５から伝播する表面波プラズマの高次モードを除去することができるためである。これにより、単一のＴＭ０１モードの表面波プラズマを生成することができ、プラズマ密度分布の均一性を図り、基板Ｗの上方でプラズマを均一に生成できる。
特に、実施形態に係るプラズマ処理装置１は、本装置がエッチング装置として機能する場合に適用されることの多い結合モード（通常のＣＣＰ）のプラズマよりも基板Ｗへのダメージが少ないソフトな拡散モードのプラズマを生成する場合に好適である。よって、実施形態に係るプラズマ処理装置１は、成膜装置として機能する場合に好適である。
ここで、結合モードと拡散モードの違いについて説明する。結合モードでは上部電極１４と下部電極（載置台１２）とが電気的に結合している。一方、拡散モードでは、上部電極１４と下部電極とが電気的に結合していない。このため、結合モードでは上部電極１４と下部電極の間には強い電界が生じ、拡散モードでは上部電極１４と下部電極の間には強い電界が生じない。つまり、拡散モードでは、基板Ｗの表面及びその近傍の電界がほぼ０になるため、基板Ｗの表面上にはほぼ電界がなく、プラズマによる基板Ｗへのダメージを抑えることができるというメリットがある。
例えば、拡散モードは、上部電極１４と載置台１２との間の距離Ｇとプラズマ電子密度Ｎｅとで定義できる。例えば、距離Ｇ及びプラズマ電子密度Ｎｅを次のように定義する。このとき、高周波の周波数は例えば１８０ＭＨｚとする。
Ｇ＝６０ｍｍ
Ｎｅ＝５×１０１０ｃｍ－３
距離Ｇ及びプラズマ電子密度Ｎｅの値は、上記一例に限られないが、距離Ｇが表皮深さδよりも十分に大きいとき、基板Ｗ及びその近傍の電界がほぼ０になるため、拡散モードになる。また、プラズマ電子密度Ｎｅが一般的に高密度プラズマと呼ばれる密度の場合に拡散モードプラズマになる。なお、表皮深さδとは一番電流が流れる表面の電流に対して、１／ｅ（約０．３７倍）に減衰する表面からの深さである。
表皮深さδは以下の式（１）で示される。
Figure 0007301727000001
 σは物質の電気伝導度、μは物質の透磁率、ωは交流電流（高周波）の角周波数である。
表皮深さδはプラズマ電子密度Ｎｅに比例する。基板Ｗをエッチングするエッチング装置では、距離Ｇが例えば５ｍｍ～３０ｍｍ程度であり、上部電極１４と下部電極との電極間の距離が短い。このため、エッチング装置では、結合モードのプラズマになり、概ね拡散モードのプラズマにならない。
拡散モードのプラズマは、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）装置等、距離Ｇが例えば４０ｍｍ以上の成膜装置で実行される成膜処理に好適である。例えば、拡散モードのプラズマは、熱ＣＶＤ装置にプラズマ生成機能を加えたＣＶＤ装置で使用されることが好ましい。拡散モードのプラズマを使用することにより、プラズマによる基板Ｗへのダメージを抑制しつつ、熱ＣＶＤ装置にプラズマの効能を利用できるため、ＳｉＮ膜及びＴＥＯＳ膜の成膜に好適である。
以上に説明したように、実施形態にかかるプラズマ処理装置１では、上部電極１４の最外周より外側から処理容器１０内に高周波が放射される。拡散モードのプラズマの場合には上部電極１４と下部電極とが電気的に結合しない。このため、上部電極１４の最外周より外側から放射された高周波はプラズマの表面で反射されながら上部電極１４の中心側へ伝播する。この反射により、プラズマ密度分布は、基板Ｗの周縁部で高くなり、基板Ｗの中心部で低くなる傾向がある。
これに対して、実施形態にかかるプラズマ処理装置１では、誘電体板１８の厚さを調整し、厚みを略逆Ｗ字型にすることで高周波の電界の通り道の幅を調整し、図３（ｅ）に示すように、高周波の電界（エネルギー）分布を均一にすることで、プラズマ密度の面内均一性を図ることができる。
［誘電体板の変形例］
図３（ｃ）の実施形態の変形例にかかる誘電体板１８の厚みは、略逆Ｗ字型であって、中心部Ｒａ及び外周部Ｒｃがスロープ状に形成されている。この場合にも、中心部Ｒａ及び外周部Ｒｃを中間部Ｒｂよりも薄くなっている。これにより、高周波の通る誘電体板１８の経路が、中心部Ｒａ及び外周部Ｒｃでは中間部Ｒｂよりも狭くなる。中心部Ｒａまで高周波を伝播させるためには、中心部Ｒａに向かう途中の中間部Ｒｂの経路はある程度広くして、高周波が通り易いようにしておく。これにより、外周部Ｒｃから中間部Ｒｂを介して中心部Ｒａへ高周波が伝播する途中で高周波の伝播が途切れず、中心部Ｒａまで高周波が伝播することができる。また、外周部Ｒｃが中間部Ｒｂよりも電界強度が高くなることを回避できる。これにより、図３（ｆ）に示すように、高周波の電界（エネルギー）分布を均一にすることで、プラズマ密度の面内均一性を図ることができる。
なお、誘電体板１８の厚みの形状である略逆Ｗ字形状は、なだらかなスロープ状又は階段状であることが好ましいが、概ね逆Ｗ字形状であれば多少の凹凸があってもよい。また、誘電体板１８の下面は、ガスシャワーヘッドとしての機能を考慮すると平坦であることが好ましいが、平坦でなくてもよい。
図１及び図３（ｂ）に示す誘電体板１８の段差は、外側に向けて傾斜させてもよい。また、中心部Ｒａと中間部Ｒｂとの間の段差の角部を面取り研磨し、角部にアールを形成してもよい。同様に、中間部Ｒｂと外周部Ｒｃとの間の段差の角部を面取り研磨し、角部にアールを形成してもよい。
また、中心部Ｒａと中間部Ｒｂとの間の段差は１つであったが、２以上であってもよい。同様に、中間部Ｒｂと外周部Ｒｃとの間の段差は１つであったが、２以上であってもよい。段差の数が少ないほど、段差の加工工程数が少ないという利点があり、段差の数が多い場合には、更に精密な電界差の制御ができるという利点がある。
図１に示すように、プラズマ処理装置１は、制御部５０を有する。制御部５０は、プロセッサ、メモリなどの記憶部、入力部、表示部、信号の入出力インターフェイス部等を備えるコンピュータであり、プラズマ処理装置１の各部を制御する。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。コンピュータ（ＣＰＵ）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１の各部を制御する。また、コンピュータは、高周波電源３０及びガス供給器４２を制御し、所望の高周波電圧と、所望のガス種及びガス流量のガスとを処理容器１０内に供給する。
［プラズマ処理方法］
次に、実施形態に係るプラズマ処理方法について、図４を参照しながら説明する。図４は、実施形態のプラズマ処理方法を示すフローチャートである。本処理は、制御部５０により制御される。
本処理が開始されると、制御部５０は、ステップＳ１において、図示しないゲートバルブを開き、基板Ｗを処理容器１０内に搬入し、載置台１２の上に基板Ｗを載置し、基板Ｗを準備する。
次に、ステップＳ３において、制御部５０は、ガス供給器４２から配管４０を介して処理容器１０内に所望のガスを供給する。次に、ステップＳ５において、制御部５０は、基台１９に高周波電力を印加する（グランドとの間に伝播させる）。これにより、高周波のエネルギーにより処理容器１０内のガスから拡散モードのプラズマが発生される。例えば、図１に示す電極間の距離Ｇが６０ｍｍであれば、上部電極１４と下部電極とが電気的に結合せず、拡散モードのプラズマが生成される。
次に、ステップＳ７において、制御部５０は、拡散モードのプラズマにより基板Ｗの処理を行う。本実施形態では、誘電体板１８の厚みを略逆Ｗ字形状にすることにより、均一性のあるプラズマを生成できる。これにより、基板Ｗの面内において均一にプラズマ処理を施すことができる。基板Ｗの処理は、処理容器１０内に導入されるガスの種類などによって異なり、エッチングガスであれば、基板表面がエッチングされ、成膜用のガスであれば、基板表面にガス種に応じた膜が形成される。
［プラズマ処理装置の変形例］
次に、実施形態に係るプラズマ処理装置１の変形例について、図５を参照しながら説明する。図５は、実施形態の変形例に係るプラズマ処理装置１を示す断面模式図である。変形例に係るプラズマ処理装置１は、処理容器１０、載置台１２、誘電体板１８（及び導体１７）、及び導入部１６を備えている。導体１７は、金属メッシュまたは金属薄膜である。本例では導体１７は、金属メッシュであり、その材料は、タングステンまたはモリブデンであるが、他の導電性材料であってもよい。
処理容器１０は、略円筒形状を有し、鉛直方向に沿って延在している。処理容器１０の中心軸線は、鉛直方向に延びる軸線ＡＸである。処理容器１０、載置台１２、バッフル部材１３、排気口１０ｅの説明は、図１と同様であるため、省略する。
処理容器１０の上部壁ＵＷには、ガス拡散用の空間２２５'を介して誘電体板１８が配置される。上部壁ＵＷは、グランド電位である。上部壁ＵＷの下面の凸部は、誘電体板１８の上面に接している。上部壁ＵＷの下面は、凹凸構造を有しており、凹部内の空間２２５'を、ガス供給器４２からのガスが流通する。配管４０は凹部内の空間２２５'に接続されている。
誘電体板１８は、略円盤形状を有している。誘電体板１８の中心軸線は、軸線ＡＸに略一致している。導体１７は、焼結工程より、セラミックスの誘電体板１８内に埋め込まれる。導体１７には、整合器３２を介して、高周波電源３０から高周波が与えられる。給電ライン３１の近傍の上部壁ＵＷの下面と誘電体板１８の上面の間には、封止部材１２６が介在している。外周側の上部壁ＵＷの下面と誘電体板１８の上面の間には、封止部材１２５が介在し、上部壁ＵＷの下面と処理容器１０の上面の間には、封止部材２５が介在している。
空間２２５'の下方には、誘電体板１８のガス吐出孔１８ｈが位置している。ガス吐出孔１８ｈは、上部に位置する上部孔１８ｈ１と、下部に位置する下部孔１８ｈ２とからなる。上部孔１８ｈ１の内径は、下部孔１８ｈ２の内径よりも大きく、これらは連通している。ガス拡散用の空間２２５'内において拡散したガスは、細い内径を有する下部孔１８ｈ２に導入され、空間ＳＰに吐出される。この構造により、下部孔１８ｈ２の径により噴出時の流速が律則され、ガスの流速を調整することができる。
誘電体板１８および導体１７は、耐熱性の高い材料からなる。また、導体１７は薄膜状またはメッシュ状になっているため、熱膨張係数が誘電体と違っていても高温時の熱応力が小さい。さらに、導体１７は誘電体板１８で覆われているため、高温でも腐食されることがない。従って、高温（例えば３００～６００℃）で誘電体板１８を使用できる。プラズマ処理を行う際に、誘電体板１８の温度を高く設定することにより、誘電体板１８の表面への反応生成物の付着を抑制することができる。
なお、シャワープレートを構成する誘電体板１８の表面のうち少なくとも下面には、耐腐食性を有する膜が形成されていてもよい。耐腐食性を有する膜は、酸化イットリウム膜、オキシフッ化イットリウム膜、フッ化イットリウム膜、又はオキシイットリウム、フッ化イットリウム等を含むセラミックス膜であり得る。
プラズマ処理装置１では、高周波は、高周波電源３０から出力され、誘電体板１８の導体１７よりも上方の導波経路ｒを伝搬し、導入部１６から誘電体板１８の外周側に伝播し、誘電体板１８を透過する。つまり、高周波は、導入部１６から導体１７の下の誘電体板１８内を外周部Ｒｃ、中間部Ｒｂ、中心部Ｒａの順に伝播しながら誘電体板１８の下面から空間ＳＰに供給される。これにより、誘電体板１８の下面から空間ＳＰに高周波の電界を導入することで誘電体板１８の下面の近傍に表面波プラズマが生成される。高周波はＶＨＦ波である。高周波はＵＨＦ波でもよい。
載置台１２は、導電層１２３を更に備えている。導電層１２３と載置台１２の上面との間の距離は、導電層１２２と載置台１２の上面との間の距離よりも大きい。導電層１２３は、ヒータである。実施形態では、導電層１２３は、ヒータ電源５８に接続されている。導電層１２２は、静電チャック電源５１に接続されている。
変形例にかかるプラズマ処理装置１においても、誘電体板１８及び導体１７の凹凸を調整し、略Ｗ字型にすることで高周波の電界の通り道の幅を調整する。これにより、高周波が誘電体板１８の外周部Ｒｃ→中間部Ｒｂ→中心部Ｒａを通って伝播する場合においても、実施形態に係る場合と同様に、高周波による電界分布を均一にすることができる。これにより、プラズマ密度の面内均一性を図ることができる。
誘電体板１８の厚みは略逆Ｗ字形状（外周部が薄く、中間部が厚く、中央部が薄い）になっている。これにより、高周波による電界を均一に空間ＳＰ内に形成することができる。空間ＳＰに形成された高周波の電界により、ガスが空間ＳＰ内で励起されて、当該ガスからプラズマが生成される。これにより、プラズマは、空間ＳＰ内で均一な密度分布で生成される。載置台１２上の基板Ｗは、プラズマからの化学種によって処理される。
なお、図１の実施形態に係るプラズマ処理装置１及び図５の変形例に係るプラズマ処理装置１において、誘電体板１８の表面のうち少なくとも下面には、耐腐食性を有する膜が形成されていてもよい。耐腐食性を有する膜は、酸化イットリウム膜、オキシフッ化イットリウム膜、フッ化イットリウム膜、又はオキシイットリウム、フッ化イットリウム等を含むセラミックス膜であり得る。
なお、図１及び図５に示すプラズマ処理装置１は、誘電体板１８の上面及び／又は内部に、１層ではなく、２層の導体１７を埋め込んでもよい。この場合、上方に位置する導体１７はグランド電位に接続され、接地されている。下方に位置する導体１７は、整合器３２を介して高周波電源３０に接続されている。
今回開示された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…プラズマ処理装置、１０…処理容器、１０ｅ…排気口、１２…載置台、１３…バッフル部材、１４…上部電極、１５、２０１…導波路、１７…導体、１８…誘電体板、１８ｈ…ガス吐出孔、１９…基台（導体）、２０…導波部、３０…高周波電源、３２…整合器、４０…配管、４２…ガス供給器、５０…制御部、ｒ…導波通路、ＳＰ…空間、Ｗ…基板。

Claims (11)

  1. 処理容器内に設けられた載置台と上部電極とを有するプラズマ処理装置であって、
    前記上部電極は、
    前記載置台と対向する誘電体板と、
    前記誘電体板の前記載置台に対向する面の反対側に形成された導体であり、金属メッシュまたは金属膜である導体と、を有し、
    前記誘電体板は、中心部と、外周部と、前記中心部と前記外周部との間の中間部とを有し、
    前記中間部の厚さは、前記中心部と前記外周部との厚さよりも厚い、
    プラズマ処理装置。
  2. 処理容器内に設けられた載置台と上部電極とを有するプラズマ処理装置であって、
    前記上部電極は、
    前記載置台と対向する誘電体板と、
    前記誘電体板の前記載置台に対向する面の反対側に形成された導体と、を有し、
    前記誘電体板は、中心部と、外周部と、前記中心部と前記外周部との間の中間部とを有し、
    前記誘電体板の厚さは、逆Ｗ字型に形成され、
    前記中間部の厚さは、前記中心部と前記外周部との厚さよりも厚い、
    プラズマ処理装置。
  3. 前記誘電体板の上面の段差は、階段状に形成されている、
    請求項２に記載のプラズマ処理装置。
  4. 前記誘電体板の上面は、スロープ状に形成されている、
    請求項２に記載のプラズマ処理装置。
  5. 前記中心部、前記中間部及び前記外周部の上面は、平坦である、
    請求項１～４のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。
  6. 前記中心部と前記外周部の厚さは、同一である、
    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. 前記中心部と前記外周部の厚さは、異なる、
    請求項１～５のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。
  8. 前記導体は、金属メッシュまたは金属膜である、
    請求項２～７のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。
  9. 前記誘電体板は、複数のガス供給用の貫通孔を有する、
    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. 前記上部電極は、前記導体を挟んで前記誘電体板の反対側の面から高周波電力を印加する、
    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. 請求項１～１０のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置を用いたプラズマ処理方法であって、
    前記載置台に基板を準備する工程と、
    前記処理容器内にガスを供給する工程と、
    前記上部電極から高周波電力を印加し、前記ガスからプラズマを生成し、前記基板の処理を行う工程と、
    を有するプラズマ処理方法。
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