JPWO2018101065A1 - プラズマ処理装置 - Google Patents

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Abstract

一態様に係るプラズマ処理装置は、チャンバを提供するチャンバ本体と、チャンバ内に処理ガスを供給するガス供給部と、チャンバ内に配置されたステージと、チャンバ内の空間を介してステージに対面する円形の表面を有する上部電極と、上部電極に接続する導体と、１００ＭＨｚ以上１０００ＭＨｚ以下の周波数の第１の高周波を発生させる高周波電源であり、導体を介して上部電極に接続された該高周波電源と、第１の高周波よりも低い周波数の第２の高周波、又は、直流バイアスを上部電極に印加するバイアス電源と、上部電極の表面の外縁に沿って延在する環状の絶縁リングと、第１の高周波に基づいて導体の周囲で生じる電磁波を伝播する導波路であり、上部電極の外側において絶縁リングに接続する該導波路と、上部電極に印加される第２の高周波又は直流バイアスを制御する制御部と、を備える。

Description

本発明の実施形態は、プラズマ処理装置に関する。
半導体デバイス等の製造では、プラズマに被処理体を晒すことによって被処理体を処理するプラズマ処理が行われる。プラズマ処理では、プロセス時間の短縮及び被処理体のダメージ低減の観点から、高密度且つ低電子温度のプラズマを用いることが望ましい。
高密度且つ低電子温度のプラズマを生成するために、ＶＨＦ（Ｖｅｒｙ Ｈｉｇｈ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）帯又はＵＨＦ（Ｕｌｔｒａ Ｈｉｇｈ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）帯の高周波をプラズマ生成用の電力として用いる手法が知られている。例えば、特許文献１には、下部電極であるカソード電極に２０ＭＨｚ以上２００ＭＨｚ以下の高周波を印加してプラズマを生成する平行平板型のプラズマ処理装置が記載されている。また、特許文献２には、下部電極であるサセプタに１００ＭＨｚの高周波電力を印加してプラズマを生成する平行平板型のプラズマ処理装置が記載されている。
特開平９−３１２２６８号公報 特開２００９−０２１２５６号公報
電極にＶＨＦ帯又はＵＨＦ帯の高周波が印加されると、当該高周波によって生じた電磁波が電極表面を表面波として伝播する。この表面波は、互いに干渉することにより電極表面に電圧の強度分布を発生させ、プラズマ密度の均一性を悪化させる。特に、円形の電極表面の外縁から電極表面の中心に向かって表面波が伝播されるようにプラズマ処理装置が構成されている場合には、電極表面の中心付近で表面波の干渉が生じることになるので、電極表面の径方向内側で生じるプラズマの密度が電極表面の径方向外側で生じるプラズマの密度に比べて高くなる。これに対し、特許文献１に記載プラズマ装置では、プラズマ密度の均一性を向上するために、当該下部電極の外縁に近づくにつれて下部電極の厚みを厚くすることで、上部電極と下部電極との間の距離が外縁に近づくにつれて狭くなるようにしている。
しかしながら、特許文献１に記載の装置では、下部電極の形状は固定されているので、プロセス条件に応じて柔軟にプラズマの密度分布を制御することは困難である。よって、本技術分野においては、例えばプラズマ生成用の高周波としてＶＨＦ帯又はＵＨＦ帯の高周波を用いた場合であっても、プラズマの密度分布を柔軟に制御することができるプラズマ処理装置が要請されている。
一態様に係るプラズマ処理装置は、チャンバを提供するチャンバ本体と、チャンバ内に処理ガスを供給するガス供給部と、チャンバ内に配置されたステージと、チャンバ内の空間を介してステージに対面する円形の表面を有する上部電極と、上部電極に接続する導体と、１００ＭＨｚ以上１０００ＭＨｚ以下の周波数の第１の高周波を発生させる高周波電源であり、導体を介して上部電極に接続された該高周波電源と、第１の高周波よりも低い周波数の第２の高周波、又は、直流バイアスを上部電極に印加するバイアス電源と、上部電極の表面の外縁に沿って延在する環状の絶縁リングと、第１の高周波に基づいて導体の周囲で生じる電磁波を伝播する導波路であり、上部電極の外側において絶縁リングに接続する該導波路と、上部電極に印加される第２の高周波又は直流バイアスを制御する制御部と、を備える。
上記一態様に係るプラズマ処理装置では、第１の高周波が導体を介して上部電極に印加されることで、導体の周囲に電磁波が発生する。この電磁波は、導波路及び絶縁リングを通過し、上部電極の表面の外縁から中心に向かう表面波として上部電極の表面に沿って伝播する。この表面波は、チャンバ内の空間に生成されるプラズマにエネルギーを伝えながら、徐々に減衰していく。ここで、表面波の減衰係数は、プラズマと上部電極の表面との間に形成されるシースの厚さに依存する。このシースの厚さは、上部電極に印加されるバイアス電圧により制御することができる。例えば、上部電極に印加する負極性のバイアス電圧の絶対値が大きくなるとシースの厚さが増加し、表面波の減衰係数は小さくなる。反対に、上部電極に印加される負極性のバイアス電圧の絶対値が小さくなるとシースの厚さが減少し、表面波の減衰係数は大きくなる。一態様に係るプラズマ処理装置では、制御部により上部電極に印加される第２の高周波又は直流バイアスを制御することにより表面波の減衰係数を変化させることができるので、上部電極の外縁から導入された表面波のうち上部電極の径方向の中心に到達する表面波のエネルギーの割合を変化させることができる。よって、一態様に係るプラズマ処理装置によれば、プラズマ密度の径方向の分布を柔軟に制御することができる。
一実施形態では、チャンバ本体は側壁を有し、側壁には、チャンバ本体の中心軸線周りに環状に延在し、ステージと側壁との間を伝播する電磁波を抑制するチョーク部が設けられていてもよい。
一実施形態では、チョーク部は、チャンバ本体の経方向に沿って延びる第１の部分と、中心軸線と平行な方向に沿って延びる第２の部分とを有している、請求項２に記載のプラズマ処理装置。
一実施形態では、第１の部分の経方向に沿った長さと第２の部分の平行な方向に沿った長さとの和は、ステージと側壁との間を伝播する電磁波を打ち消すような長さに設定されていてもよい。
一実施形態では、上部電極には、空間から上部電極に向かう熱流束に応じたパラメータを検出する複数のセンサ設けられており、複数のセンサは、上部電極の径方向の異なる位置に配置され、制御部は、複数のセンサの検出結果に基づいて第２の高周波又は直流バイアスを制御してもよい。
一実施形態では、上部電極は、冷媒用の流路が形成された本体部と、本体部の下方に配置されたシャワープレートであり、表面を有し、且つ、複数のガス吐出孔が形成された該シャワープレートと、を含み、複数のセンサの各々は、本体部とシャワープレートとの間の温度差に応じた出力信号を出力し、制御部は、出力信号に基づいて第２の高周波又は直流バイアスを制御してもよい。
本発明の一態様及び種々の実施形態によれば、プラズマの密度分布を柔軟に制御することができるプラズマ処理装置を提供することができる。
一実施形態に係るプラズマ処理装置の縦断面図である。 電磁波の伝播経路を説明する図である。 センサの拡大図である。 別の実施形態に係るプラズマ処理装置の縦断面図である。 更に別の実施形態に係るプラズマ処理装置の縦断面図である。 シースの厚さとシース中の電界強度の分布との関係を表すシミュレーション結果である。 チョーク部の長さと透過波強度との関係を表すシミュレーション結果である。
以下、図面を参照して種々の実施形態について詳細に説明する。なお、各図面において同一又は相当の部分に対しては同一の符号を附すこととし、同一又は相当の部分に対する重複した説明は省略する。また、各図面の寸法比率は、必ずしも実際の寸法比率とは一致していない。
一実施形態のプラズマ処理装置について説明する。図１は、一実施形態のプラズマ処理装置１０Ａを概略的に示す断面図である。プラズマ処理装置１０Ａは、チャンバ本体１２を備えている。チャンバ本体１２は、例えばアルミニウムから構成されており、その表面は陽極酸化処理がされている。チャンバ本体１２は、その内部にチャンバＣを提供する。このチャンバ本体１２は接地されている。
一実施形態では、チャンバ本体１２は、側壁１２ａ、底部１２ｂ及び蓋部１２ｃを含み得る。側壁１２ａは、略円筒形状を有している。側壁１２ａの中心軸線は、チャンバ本体１２の中心軸線Ｚに一致している。底部１２ｂは、側壁１２ａの下端に接続している。底部１２ｂには、排気口１２ｅが形成されており、当該排気口１２ｅには、真空ポンプといった排気装置１４が接続されている。排気装置１４は、チャンバ本体１２内の圧力が所定の圧力になるように、チャンバ本体１２内のガスを排気する。蓋部１２ｃは、側壁１２ａの上部に形成された開口を塞ぐように側壁１２ａの上端に接続されている。
チャンバＣ内の下部には、ステージ２０が設けられている。ステージ２０の上面には、被処理体Ｗが支持される。
プラズマ処理装置１０Ａは、上部電極３０を更に備えている。上部電極３０は、略円盤形状を有している。上部電極３０は、ステージ２０の上方に設けられており、チャンバＣ内の空間Ｓを介してステージ２０と対面配置されている。一実施形態では、上部電極３０は、本体部３２及びシャワープレート３４を含み得る。
本体部３２は、略円板形状を有しており、例えばアルミ合金から構成されている。一実施形態では、本体部３２の内部には、冷媒流路３２ｐが形成されていてもよい。冷媒流路３２ｐには、冷媒入口配管、冷媒出口配管が接続されており、これらの冷媒入口配管及び冷媒出口配管は、チラーユニットに接続されている。冷媒は、チラーユニットから冷媒入口配管を介して冷媒流路３２ｐに供給され、冷媒流路３２ｐから冷媒出口配管を介してチラーユニットに戻るよう、循環する。上部電極３０は、冷媒流路３２ｐの中に適宜の冷媒、例えば冷却水等を循環させることによって、上部電極３０を所定の温度に制御可能になっている。
シャワープレート３４は、本体部３２の下方に設けられている。シャワープレート３４は、略円板形状を有しており、例えばアルミ合金から構成されている。シャワープレート３４には、複数の貫通孔３４ｈ、即ち、複数のガス吐出孔が形成されている。シャワープレート３４のうちステージ２０の上面に対面する表面３５は、空間Ｓに露出している。表面３５は、内側部３５ａ及び外側部３５ｂを含んでいる。内側部３５ａは、ステージ２０の上方に位置している略円形の領域である。外側部３５ｂは、表面３５の径方向においてステージ２０よりも外側に位置する領域であり、内側部３５ａの外側を取り囲む環状の領域である。表面３５の外縁３５ｃは、外側部３５ｂの最外周に位置している。
シャワープレート３４と本体部３２との間には複数のスペーサ３６が設けられている。シャワープレート３４と本体部３２とは、当該複数のスペーサ３６を介して中心軸線Ｚ方向に互いに離間している。本体部３２とシャワープレート３４との間には、複数の貫通孔３４ｈに連通するガス拡散室３８が形成されている。ガス拡散室３８は、チャンバ本体１２の外部に設けられたガス供給部ＧＳに接続されている。ガス供給部ＧＳは、ガスソース、流量制御器、及びバルブを含んでいる。ガスソースは、流量制御器及びバルブを介して、ガス拡散室３８に処理ガスを供給する。ガス供給部ＧＳからガス拡散室３８に供給された処理ガスは、複数の貫通孔３４ｈを介して空間Ｓに供給される。
また、側壁１２ａの上部には、側壁１２ａの内面から径方向内側に突出する環状の支持部１６が形成されている。即ち、側壁１２ａの支持部１６の形成された部分の内径は、支持部１６の形成されていない部分の内径よりも小さくなっている。この支持部１６は、上方に向かうにつれて径方向内側に近づくように傾斜する傾斜面１６ｔを有し得る。
プラズマ処理装置１０Ａは、絶縁リング４０を更に備えている。絶縁リング４０は、アルミナといった絶縁体から構成されている。絶縁リング４０は、中心軸線Ｚ周りに延在する環状体であり、支持部１６上に支持されている。絶縁リング４０は、表面３５の外縁３５ｃに沿って延在しており、上部電極３０を下方から支持している。
一実施形態では、絶縁リング４０は、上方に向かうにつれて径方向内側に近づくように傾斜する傾斜面４０ｔを有し得る。絶縁リング４０の傾斜面４０ｔ及び支持部１６の傾斜面１６ｔは同じ傾斜角を有し、中心軸線Ｚを通る縦断面から見て傾斜面４０ｔ及び傾斜面１６ｔが同一直線上に位置するように配置されていてもよい。また、絶縁リング４０と上部電極３０との間、及び、絶縁リング４０と支持部１６との間には、それぞれＯリングが設けられている。これにより、チャンバＣの気密性が保持されている。
プラズマ処理装置１０Ａは、同軸導波管４２を更に備えている。同軸導波管４２は、内側導体４２ａ及び外側導体４２ｃを含んでいる。内側導体４２ａの一端は、本体部３２に接続されている。内側導体４２ａの他端は、整合器４４を介して高周波電源４６に接続されている。高周波電源４６は、プラズマ生成用の第１の高周波を発生する電源であり、１００ＭＨｚ以上１０００ＭＨｚ以下の範囲内の周波数を有する第１の高周波を生成する。第１の高周波は、整合器４４及び内側導体４２ａを介して上部電極３０に印加される。整合器４４は、高周波電源４６の負荷インピーダンスを調整するよう構成されている。
また、内側導体４２ａの他端は、ローパスフィルタ４７を介してバイアス電源４８にも接続されている。バイアス電源４８は、上部電極３０に供給されるバイアス用の出力波を生成する。バイアス電源４８によって生成される出力波は、第１の高周波の周波数よりも低い周波数を有する第２の高周波である。第２の高周波は、正又は負の直流成分を有する高周波であり、例えば５００ｋＨｚの周波数を有する。バイアス電源４８は、第２の高周波をローパスフィルタ４７及び内側導体４２ａを介して上部電極３０に印加する。即ち、第２の高周波は、第１の高周波に重畳されて上部電極３０に印加される。なお、バイアス電源４８は、第２の高周波に代えて直流バイアスを上部電極３０に印加してもよい。
また、同軸導波管４２の外側導体４２ｃは、蓋部１２ｃに接続されている。内側導体４２ａ及び外側導体４２ｃは、後述する導波路４２ｂの一部分を画成する。
プラズマ処理装置１０は、導波路４２ｂを更に備えている。導波路４２ｂは、高周波電源４６からの第１の高周波に基づいて内側導体４２ａの周囲に生じる電磁波を空間Ｓに伝播する。導波路４２ｂは、例えば絶縁体から構成されている。導波路４２ｂは、互いに連続する第１の部分４３ａと第２の部分４３ｂとを有している。第１の部分４３ａは、内側導体４２ａと外側導体４２ｃとの間に沿って延在している。第２の部分４３ｂは、上部電極３０と蓋部１２ｃとの間に沿って延びており、上部電極３０の外側において絶縁リング４０と接続している。
プラズマ処理装置１０Ａは、制御部５０を更に備えている。制御部５０は、プロセッサ、記憶部等を備えるコンピュータ装置等から構成されている。制御部５０は、バイアス電源４８に接続されており、バイアス電源４８に制御信号を送出することにより、バイアス電源４８からのバイアス電圧（第２の高周波又は直流バイアスの直流電圧）を制御する。また、制御部５０は、バイアス電源４８の制御に加えて、プラズマ処理装置１０Ａの各部を制御する機能を有していてもよい。例えば、制御部５０は、上部電極３０に供給される第１の高周波、チャンバ本体１２内の圧力、チャンバ本体１２内に供給されるガス種並びにガス流量を制御するように、高周波電源４６、排気装置１４、ガス供給部ＧＳに制御信号を供給することができる。
図２を参照してプラズマ処理装置１０Ａの機能について説明する。高周波電源４６から上部電極３０に第１の高周波が印加されると、内側導体４２ａの周囲には電磁波が発生する。内側導体４２ａの周囲に発生した電磁波は、図２の矢印で示すように、導波路４２ｂの内部を反射しながら絶縁リング４０に向けて伝播される。絶縁リング４０は、導波路４２ｂを伝播してきた電磁波を受け、その電磁波を空間Ｓに透過させる。絶縁リング４０を透過した電磁波は、空間Ｓに生成されたプラズマと表面３５との間に形成されたシースに沿って、表面３５の外縁３５ｃから表面３５の中心に向かう表面波として伝播される。即ち、表面波は、金属製の表面３５に沿って伝播される。この表面波は、図２の矢印の長さで表されるように、空間Ｓに生成されたプラズマにエネルギーを伝えながら、表面３５の径方向の内側に向かうにつれて徐々に減衰していく。
ここで、表面波の減衰係数は、シースの厚さに依存する。シースの厚さは、上部電極３０に印加するバイアス電圧により制御することができる。例えば、上部電極３０に印加される負極性のバイアス電圧の絶対値が大きくなるとシースの厚さが増加する。シースの厚さが増加すると、表面波の減衰係数は小さくなる。反対に、上部電極に印加される負極性のバイアス電圧の絶対値が小さくなるとシースの厚さが減少する。シースの厚さが減少すると、表面波の減衰係数は大きくなる。プラズマ処理装置１０Ａでは、制御部５０により上部電極３０に印加される第２の高周波又は直流バイアスを制御することにより表面波の減衰係数を変化させることができるので、上部電極３０の外縁３５ｃから導入された表面波のうち表面３５の径方向の中心に到達する表面波のエネルギーの割合を変化させることができる。これにより、表面波の干渉の程度を調整することができるので、プラズマ密度の径方向の分布を柔軟に制御することができる。
図１を再び参照する。一実施形態では、プラズマ処理装置１０Ａは、チョーク部５２を更に備えていてもよい。チョーク部５２は、ステージ２０と側壁１２ａとの間を伝播する電磁波を抑制する機能を有する。即ち、チョーク部５２は、ステージ２０と側壁１２ａとの間に不要なプラズマが生成されることを抑制する。チョーク部５２は、アルミナ、窒化アルミ等からなるセラミック又は石英といった高い耐熱性を有する材料から構成されており、中心軸線Ｚを中心とする環状をなしている。
一実施形態では、図１に示すように、チョーク部５２は、チャンバ本体１２の経方向に沿って延びる第１の部分５２ａと、中心軸線Ｚと平行な方向に沿って延びる第２の部分５２ｂとを有していてもよい。第１の部分５２ａ及び第２の部分５２ｂは互いに連続している。このチョーク部５２の第１の部分５２ａの経方向に沿った長さと第２の部分の中心軸線Ｚと平行な方向に沿った長さとの和は、ステージ２０と側壁１２ａとの間を伝播する電磁波を打ち消すような長さに設定される。具体的には、チョーク部５２の第１の部分５２ａの経方向に沿った長さと第２の部分５２ｂの中心軸線Ｚと平行な方向に沿った長さとの和は、チョーク部５２内を伝播する電磁波の波長の略１／４の長さを有している。チョーク部５２の長さをチョーク部５２内を伝播する電磁波の波長の略１／４の長さに設定することにより、チョーク部５２のインピーダンスが絶縁リング４０から見て無限大になるので、ステージ２０と側壁１２ａとの間を伝播する電磁波をチョーク部５２によって打ち消すことができる。ただし、チョーク部５２の端面の位置を電気的な短絡面の位置と一致させるために、チョーク部５２の長さは、チョーク部５２内を伝播する電磁波の波長の１／４の長さよりも若干大きくなるように設計されていてもよい。なお、一実施形態では、チョーク部５２が径方向にのみ延在しており、チョーク部５２の径方向の長さがステージ２０と側壁１２ａとの間を伝播する電磁波を打ち消すような長さ、即ちチョーク部５２内を伝播する電磁波の波長の略１／４の長さに設定されていてもよい。また、チョーク部５２と側壁１２ａとの間にはＯリングが設けられていてもよい。
また、一実施形態では、プラズマ処理装置１０Ａは、複数のセンサ６０を更に備えていてもよい。複数のセンサ６０は、上部電極３０の径方向の異なる位置にそれぞれ設けられている。図１に示す実施形態では、上部電極３０には複数のセンサ６０である２つのセンサ６０ａ、６０ｂが設けられている。センサ６０ａは、上部電極３０の径方向の中心位置、即ち中心軸線Ｚ上に設けられている。センサ６０ｂはセンサ９０ａよりも径方向の外側位置に設けられている。これら複数のセンサ６０は、空間Ｓから上部電極３０に向かう熱流束に応じたパラメータを検出する。
空間Ｓに生成されるプラズマ中のイオン及び高エネルギー電子は、シャワープレート３４に入射し、シャワープレート３４を加熱する。イオン及び電子がシャワープレート３４に入射することに伴って生じる熱流束は、空間Ｓに生成されたプラズマの密度に比例する。したがって、複数のセンサ６０によって空間Ｓから上部電極３０に向かう熱流束の分布を検出することにより、空間Ｓに生成されたプラズマの密度分布を推定することができる。
複数のセンサ６０は、本体部３２とシャワープレート３４との間の温度差を計測することで熱流束に応じたパラメータを取得する。以下、図３を参照して、複数のセンサ６０について詳細に説明する。図３は、センサ６０ｂを拡大して示す断面図である。なお、センサ６０ａはセンサ６０ｂと同じ構成を有している。
図３に示すように、センサ６０ｂは、ペルチェ素子６２を備えている。ペルチェ素子６２は、第１の電極６２ａ及び第２の電極６２ｂを含んでおり、ゼーベック効果により第１の電極６２ａと第２の電極６２ｂとの温度差に応じた電圧を出力する。第１の電極６２ａは、金属パイプ６４を介してシャワープレート３４に接触している。金属パイプ６４は、例えばステンレス等の金属から構成されている。したがって、第１の電極６２ａは、シャワープレート３４と熱的に接続され、且つ、シャワープレート３４及び本体部３２と電気的に接続されている。なお、表面３５の温度をより正確に取得するために、金属パイプ６４は、図３に示すように、シャワープレート３４の上面の高さ位置よりも低い位置、即ち表面３５に近い位置においてシャワープレート３４と接触していてもよい。さらに、金属パイプ６４の上部と本体部３２との間にはＯリングが設けられていてもよい。
第２の電極６２ｂは、絶縁パイプ６６を介して本体部３２に接触している。絶縁パイプ６６は、窒化アルミ等の熱伝導率の高い絶縁体から構成されている。したがって、第２の電極６２ｂは、本体部３２と熱的に接続されているが、電気的には本体部３２と絶縁されている。金属パイプ６４と絶縁パイプ６６との間には、エポキシ樹脂等の熱伝導率の低い絶縁体からなる充填材６８が充填されている。これにより、金属パイプ６４と絶縁パイプ６６とが電気的及び熱的に絶縁されている。
また、第２の電極６２ｂには、金属棒７０が接続されている。金属棒７０は、銅等の熱伝導率の高い金属から構成されている。なお、一実施形態では、本体部３２の上面の一部には凹部が形成されており、当該凹部が複数のセンサ６０の一部及び後述する電圧計測回路７８を収容する収容空間ＨＳを画成していてもよい。金属棒７０は、本体部３２に形成された貫通孔ＴＨを通って収容空間ＨＳまで延在している。金属棒７０の上部は、ナット７４によって本体部３２に対して締結されている。ナット７４と本体部３２の上面との間には、絶縁ワッシャ７２が設けられている。絶縁ワッシャ７２は、例えば窒化アルミ等の絶縁体から構成されている。また、絶縁ワッシャ７２とナット７４との間には、圧着端子７６が設けられている。圧着端子７６は、金属棒７０を介して第２の電極６２ｂに電気的に接続されており、本体部３２には電気的に絶縁されている。
図１に示すように、収容空間ＨＳには、電圧計測回路７８が設けられ得る。電圧計測回路７８は、配線７７を介して複数のセンサ６０の圧着端子７６に電気的に接続されている。電圧計測回路７８は、配線７７と本体部３２と間の電圧、即ち、ペルチェ素子６２の出力電圧を測定し、複数のセンサ６０の各々からの出力電圧に応じた出力信号を制御部５０に送出する。
制御部５０は、電圧計測回路７８からの出力信号に基づいてバイアス電源４８を制御する。例えば、センサ６０ａからの出力電圧がセンサ６０ｂからの出力電圧よりも大きい場合には、空間Ｓの径方向内側に生成されたプラズマの密度が径方向外側に生成されたプラズマの密度よりも高いことが推測される。したがって、この場合には、制御部５０は、バイアス電源４８から上部電極３０に印加される負極性のバイアス電圧の絶対値が小さくなるようにバイアス電源４８を制御する。これにより、シースが薄くなり、表面波の減衰係数が大きくなるので、表面３５の外縁３５ｃから供給された表面波のエネルギーのうち表面３５の径方向の中心位置に到達する表面波のエネルギーの割合が小さくなる。その結果、空間Ｓの径方向内側に生成されるプラズマの密度が低下するので、プラズマの面内均一性が向上する。反対に、センサ６０ａからの出力電圧がセンサ６０ｂからの出力電圧よりも小さい場合には、空間Ｓの径方向内側に生成されたプラズマの密度が径方向外側に生成されたプラズマの密度よりも低いことが推測される。したがって、この場合には、制御部５０は、バイアス電源４８から上部電極３０に印加される負極性のバイアス電圧の絶対値が大きくなるようにバイアス電源４８を制御する。これにより、シースが厚くなり、表面波の減衰係数が小さくなるので、表面３５の外縁３５ｃから供給された表面波のエネルギーのうち表面３５の径方向の中心位置に到達する表面波のエネルギーの割合が大きくなる。その結果、空間Ｓの径方向の内側位置に生成されるプラズマの密度が増加するので、プラズマ密度の面内均一性が向上する。
次に、別の実施形態に係るプラズマ処理装置について説明する。図４に示すプラズマ処理装置１０Ｂは、複数のセンサ６０に代えて複数のセンサ８０を備えている。以下では、図１に示すプラズマ処理装置１０Ａとの相違点を中心に説明し、重複する説明は省略する。
複数のセンサ８０は、上部電極３０の径方向の異なる位置にそれぞれ設けられている。図４に示す実施例では、上部電極３０には複数のセンサ８０として２つのセンサ８０ａ、８０ｂが設けられている。センサ８０ａは、上部電極３０の径方向の中心位置、即ち中心軸線Ｚ上に設けられている。センサ８０ｂはセンサ８０ａよりも径方向外側に設けられている。センサ８０ａ及びセンサ８０ｂは、熱電対８２及び電圧計測回路８４をそれぞれ含んでいる。熱電対８２は、一端及び他端を有し、一端と他端との間の温度差に応じた電圧を発生させる。熱電対８２の一端は、シャワープレート３４に接している。熱電対８２の他端は、本体部３２内に配置されている。電圧計測回路８４は、熱電対８２と電気的に接続されており、熱電対８２において発生した電圧を取得する。電圧計測回路８４によって取得された電圧は制御部５０に送出される。制御部５０は、電圧計測回路８４からの出力に基づいてバイアス電源４８からの第２の高周波又は直流バイアスを制御する。
例えば、センサ８０ａからの出力電圧がセンサ８０ｂからの出力電圧よりも大きい場合には、空間Ｓの径方向内側に生成されたプラズマの密度が径方向外側に生成されたプラズマの密度よりも高いことが推測される。したがって、この場合には、制御部５０は、バイアス電源４８から上部電極３０に印加される負極性のバイアス電圧の絶対値が小さくなるようにバイアス電源４８を制御する。これにより、シースが薄くなり、表面波の減衰係数が大きくなるので、表面３５の外縁３５ｃから供給された表面波のエネルギーのうち表面３５の径方向の中心位置に到達する表面波のエネルギーの割合が小さくなる。その結果、空間Ｓの径方向内側に生成されるプラズマの密度が低下するので、プラズマの面内均一性が向上する。反対に、センサ８０ａからの出力電圧がセンサ８０ｂからの出力電圧よりも小さい場合には、空間Ｓの径方向内側に生成されたプラズマの密度が径方向外側に生成されたプラズマの密度よりも低いことが推測される。したがって、この場合には、制御部５０は、バイアス電源４８から上部電極３０に印加される負極性のバイアス電圧の絶対値が大きくなるようにバイアス電源４８を制御する。これにより、シースが厚くなり、表面波の減衰係数が小さくなるので、表面３５の外縁３５ｃから供給された表面波のエネルギーのうち表面３５の径方向の中心位置に到達する表面波のエネルギーの割合が大きくなる。その結果、空間Ｓの径方向の内側位置に生成されるプラズマの密度が増加するので、プラズマ密度の面内均一性が向上する。
このプラズマ処理装置１０Ｂにおいても、プラズマ処理装置１０Ａと同じ作用効果を奏する。即ち、プラズマ処理装置１０Ｂでは、複数のセンサ８０からの出力に基づいて、空間Ｓに生成されたプラズマの密度分布を検出することができる。そして、複数のセンサ８０からの出力に応じて上部電極３０に印加されるバイアス電圧を制御することにより、プラズマの密度分布を制御することができる。
次に、更に別の実施形態に係るプラズマ処理装置について説明する。図５に示すプラズマ処理装置１０Ｃは、複数のセンサ６０に代えて複数のセンサ９０を備えている。以下では、図１に示すプラズマ処理装置１０Ａとの相違点を中心に説明し、重複する説明は省略する。
複数のセンサ９０は、上部電極３０の径方向の異なる位置にそれぞれ設けられている。図５に示す実施例では、上部電極３０には、複数のセンサ９０として３つのセンサ９０ａ、９０ｂ、９０ｃが設けられている。センサ９０ａは上部電極３０の径方向の中心位置近傍、即ち中心軸線Ｚの近傍に設けられており、センサ９０ｃはセンサ９０ａよりも径方向外側に設けられている。センサ９０ｂは、上部電極３０の径方向において、センサ９０ａとセンサ９０ｃとの間の位置に設けられている。複数のセンサ９０ａ、９０ｂ、９０ｃは、対象物からの熱放射（赤外線）に基づいて対象物の温度を検出する放射温度計である。
本実施形態では、蓋部１２ｃ及び本体部３２のセンサ９０ａ、９０ｂ、９０ｃに対応する位置には、穴９２ａ、９２ｂ、９２ｃがそれぞれ形成されている。穴９２ａ及び穴９２ｃは、蓋部１２ｃの上面からシャワープレート３４まで中心軸線Ｚ方向に平行な方向に沿って延びている。穴９２ｂは、蓋部１２ｃの上面から本体部３２内まで中心軸線Ｚ方向に平行な方向に沿って延びている。
センサ９０ａ及びセンサ９０ｃは、それぞれ穴９２ａ及び穴９２ｃを介して取得される放射熱に基づいて、シャワープレート３４の温度を検知する。センサ９０ｂは、穴９２ｂを介して取得される放射熱に基づいて、本体部３２の温度を検知する。センサ９０ａ、９０ｂ、９０ｃは、検知したシャワープレート３４及び本体部３２の温度を制御部５０に送出する。制御部５０は、センサ９０ａが検知したシャワープレート３４の温度とセンサ９０ｂが検知した本体部３２の温度との温度差、及び、センサ９０ｃが検知したシャワープレート３４の温度とセンサ９０ｂが検知した本体部３２の温度との温度差を算出する。そして、２つの温度差に基づいてバイアス電源４８からの第２の高周波又直流バイアスを制御する。
例えば、センサ９０ａが検知したシャワープレート３４の温度とセンサ９０ｂが検知した本体部３２の温度との温度差がセンサ９０ｃが検知したシャワープレート３４の温度とセンサ９０ｂが検知した本体部３２の温度との温度差よりも大きい場合には、空間Ｓの径方向内側に径方向外側よりも高い密度のプラズマが生成されていることが推測される。したがって、この場合には、制御部５０は、バイアス電源４８から上部電極３０に印加される負極性のバイアス電圧の絶対値が小さくなるようにバイアス電源４８を制御する。これにより、シースが薄くなり、表面波の減衰係数が大きくなるので、表面３５の外縁３５ｃから供給される表面波のエネルギーのうち表面３５の径方向の中心位置に到達する表面波のエネルギーの割合が小さくなる。その結果、空間Ｓの径方向内側に生成されるプラズマの密度が低下するので、プラズマ密度の面内均一性が向上する。反対に、センサ９０ａが検知したシャワープレート３４の温度とセンサ９０ｂが検知した本体部３２の温度との温度差がセンサ９０ｃが検知したシャワープレート３４の温度とセンサ９０ｂが検知した本体部３２の温度との温度差よりも小さい場合には、空間Ｓの径方向外側に径方向内側よりも高い密度のプラズマが生成されていることが推測される。したがって、この場合には、制御部５０は、バイアス電源４８から上部電極３０に印加される負極性のバイアス電圧の絶対値が大きくなるようにバイアス電源４８を制御する。これにより、シースが厚くなり、表面波の減衰係数が小さくなるので、表面３５の外縁３５ｃから供給される表面波のエネルギーのうち表面３５の径方向の中心位置に到達する表面波のエネルギーの割合が大きくなる。その結果、空間Ｓの径方向内側に生成されるプラズマの密度が増加するので、プラズマ密度の面内均一性が向上する。
プラズマ処理装置１０Ｃにおいても、プラズマ処理装置１０Ａと同じ作用効果を奏する。即ち、プラズマ処理装置１０Ｃでは、複数のセンサ９０からの出力に基づいて、空間Ｓに生成されたプラズマの密度分布を検出することができる。そして、複数のセンサ９０からの出力に応じて上部電極３０に印加されるバイアス電圧を制御することにより、プラズマの密度分布を制御することができる。
以下、実験例に基づいて本発明をより具体的に説明するが、本発明は以下の実験例に限定されるものではない。
図１に示すプラズマ処理装置１０Ａを用いて空間Ｓにプラズマを生成したときに、シースに沿って上部電極３０の外縁３５ｃから表面３５の中心に向かって伝播するシース波の電界強度分布をシミュレーションにより計算した。表面３５の半径は２００ｍｍとした。高周波電源４６から上部電極３０に印加する第１の高周波の周波数は５００ＭＨｚとした。また、プラズマの比誘電率は−５０とし、プラズマの誘電損失は−０．３とした。図６は、シースの厚さを０．２ｍｍ、０．３ｍｍ、０．５ｍｍ、０．９ｍｍに変化させたときのシース中の電界強度の分布を表すシミュレーション結果である。なお、図６の横軸の０ｍｍの位置は表面３５の径方向の中心位置を表しており、２００ｍｍの位置は上部電極３０の外縁３５ｃの位置を表している。
図６に示すように、シースの厚さが０．２ｍｍである場合には、表面３５の径方向内側から径方向外側に向かうにつれてシース中の電界強度が大きくなることが確認された。この状態では、空間Ｓの径方向内側において密度が低く、径方向外側において密度が高い偏りのあるプラズマが生成されることとなる。一方、シースの厚さが大きくなるほど、表面３５の径方向内側における電界強度が径方向外側における電界強度よりも大きくなることが確認された。特に、シースの厚さが０．９ｍｍである場合には、表面３５の径方向の中心における電界強度は、表面３５の外縁３５ｃにおける電界強度の４倍となった。この場合には、空間Ｓの径方向内側において密度が高く、空間Ｓの径方向外側において密度が低い偏りのあるプラズマが生成されることとなる。図６に示す結果から、バイアス電圧によってシースの厚さを制御することにより、プラズマ密度の径方向の分布を制御することができることが確認された。
また、図６に示すように、シース中の電界強度は径方向に沿って所定の周期で変動することが確認された。この電界強度の変動は、表面３５の径方向の外側から内側に向かって減衰しながら伝播するシース波と表面３５の径方向の外側から内側に向かって伝播するシース波とが互いに干渉して定在波を形成するために生じたものであると考えられる。
また、シースが厚いときほど電界強度の変動量が大きく、且つ、変動の周期が大きくなることが確認された。シースが薄い場合には、シース波のエネルギーの大部分がプラズマ中に存在するので、シース波の伝播中にシース波のエネルギーの大部分が減衰により失われることとなる。これにより、大きな定在波が生じにくくなるので電界強度の変動が小さくなると考えられる。また、シースが薄い場合には、シース波の波長が短いので変動の周期が短くなると考えられる。反対に、シースが厚い場合には、シース波のエネルギーがプラズマ中に存在する割合が相対的に小さくなるので、シース波の伝播中にエネルギーが減衰により失われにくくなる。これにより、大きな定在波が生じやすくなるので電界強度の変動が大きくなると考えられる。また、シースが厚い場合には、シース波の波長が長いので変動の周期が長くなると考えられる。なお、図６に示すように、定在波の発生によりプラズマの密度分布にむらが生じるが、被処理体Ｗの直上に至るまでにプラズマが拡散するので処理の均一性はある程度保たれることとなる。
また、チョーク部５２の効果について検討を行った。図７は、チョーク部５２の長さと、入射波強度に対する透過波強度の比との関係を表すシミュレーション結果である。このシミュレーションでは、高周波電源４６からの第１の高周波の周波数を１ＧＨｚとし、チョーク部５２の材料をアルミナ（比誘電率：９．８）とした。ここで、チョーク部５２内を伝播する電磁波の波長λｇは、下記式（１）で表される。
Figure 2018101065
式（１）において、λ０は真空中を伝播する電磁波の波長であり、εｒはチョーク部５２を構成するアルミナの比誘電率であり、μｒはチョーク部５２を構成するアルミナの比透磁率である。第１の高周波の周波数が１ＧＨｚである場合にはλ０は３００ｍｍとなるので、λｇの１／４の長さは２４．０ｍｍとなる。図７に示すように、チョーク部５２の長さを２４．０ｍｍ程度にするとチョーク部５２を透過する透過波強度が小さくなり、電磁波を抑制することができることが確認された。ただし、透過波強度が最小となるチョーク部５２の長さは、２４．０ｍｍよりも僅かに長い２５．７ｍｍであった。この結果は、チョーク部５２の端面の位置が電気的な短絡点の位置と一致しないためであると考えられる。
以上、一実施形態に係るプラズマ処理装置について説明してきたが、上述した実施形態に限定されることなく発明の要旨を変更しない範囲で種々の変形態様を構成可能である。例えば、上述のプラズマ処理装置では、高周波電源４６からの第１の高周波と、バイアス電源４８からの第２の高周波又は直流バイアスとが内側導体４２ａを介して上部電極３０に印加されているが、第２の高周波又は直流バイアスは内側導体４２ａとは異なる別の導体、即ち第１の高周波とは別の経路を介して上部電極３０に印加されてもよい。
１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ…プラズマ処理装置、１２…チャンバ本体、１２ａ…側壁、１６…支持部、２０…ステージ、３０…上部電極、３２…本体部、３４…シャワープレート、３５…表面、３５ａ…内側部、３５ｂ…外側部、３５ｃ…外縁、４０…絶縁リング、４２…同軸導波管、４２ａ…内側導体、４２ｂ…導波路、４２ｃ…外側導体、４３ａ…導波路の第１の部分、４３ｂ…導波路の第２の部分、４６…高周波電源、４８…バイアス電源、５０…制御部、５２…チョーク部、５２ａ…チョーク部の第１の部分、５２ｂ…チョーク部の第２の部分、６０，８０，９０…センサ、ＧＳ…ガス供給部、Ｓ…空間、Ｗ…被処理体、Ｚ…中心軸線。

Claims (6)

  1. チャンバを提供するチャンバ本体と、
    前記チャンバ内に処理ガスを供給するガス供給部と、
    前記チャンバ内に配置されたステージと、
    前記チャンバ内の空間を介して前記ステージに対面する円形の表面を有する上部電極と、
    前記上部電極に接続する導体と、
    １００ＭＨｚ以上１０００ＭＨｚ以下の周波数の第１の高周波を発生させる高周波電源であり、前記導体を介して前記上部電極に接続された該高周波電源と、
    前記第１の高周波よりも低い周波数の第２の高周波、又は、直流バイアスを前記上部電極に印加するバイアス電源と、
    前記上部電極の前記表面の外縁に沿って延在する環状の絶縁リングと、
    前記第１の高周波に基づいて前記導体の周囲で生じる電磁波を伝播する導波路であり、前記上部電極の外側において前記絶縁リングに接続する該導波路と、
    前記上部電極に印加される前記第２の高周波又は前記直流バイアスを制御する制御部と、
    を備えるプラズマ処理装置。
  2. 前記チャンバ本体は側壁を有し、
    前記側壁には、前記チャンバ本体の中心軸線周りに環状に延在し、前記ステージと前記側壁との間を伝播する電磁波を抑制するチョーク部が設けられている、請求項１に記載のプラズマ処理装置。
  3. 前記チョーク部は、前記チャンバ本体の経方向に沿って延びる第１の部分と、前記中心軸線と平行な方向に沿って延びる第２の部分とを有している、請求項２に記載のプラズマ処理装置。
  4. 前記第１の部分の前記経方向に沿った長さと前記第２の部分の前記平行な方向に沿った長さとの和は、前記ステージと前記側壁との間を伝播する電磁波を打ち消すような長さに設定されている、請求項３に記載のプラズマ処理装置。
  5. 前記上部電極には、前記空間から前記上部電極に向かう熱流束に応じたパラメータを検出する複数のセンサ設けられており、
    前記複数のセンサは、前記上部電極の径方向の異なる位置に配置され、
    前記制御部は、前記複数のセンサの検出結果に基づいて前記第２の高周波又は前記直流バイアスを制御する、
    請求項１〜４の何れか一項に記載のプラズマ処理装置。
  6. 前記上部電極は、
    冷媒用の流路が形成された本体部と、
    前記本体部の下方に配置されたシャワープレートであり、前記表面を有し、且つ、複数のガス吐出孔が形成された該シャワープレートと、
    を含み、
    前記複数のセンサの各々は、前記本体部と前記シャワープレートとの間の温度差に応じた出力信号を出力し、
    前記制御部は、前記出力信号に基づいて前記第２の高周波又は前記直流バイアスを制御する、
    請求項５に記載のプラズマ処理装置。
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