WO2011040465A1 - プラズマ処理装置及びこれに用いる遅波板 - Google Patents

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processing apparatus
plasma processing
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slow wave
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成則 尾▲崎▼
龍作 太田
光 足立
誠 石坪
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Tokyo Electron Ltd
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Tokyo Electron Ltd
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    • H10P14/63—Formation of materials, e.g. in the shape of layers or pillars of insulating materials characterised by the formation processes
    • H10P14/6302—Non-deposition formation processes
    • H10P14/6316—Formation by nitridation, e.g. nitridation of the substrate
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    • H10P14/6302—Non-deposition formation processes
    • H10P14/6319—Formation by plasma treatments, e.g. plasma oxidation of the substrate

Definitions

  • the present invention relates to a plasma processing apparatus that guides an electromagnetic wave having a predetermined frequency through a processing container, generates plasma, and plasma-treats an object to be processed, and a slow wave plate used for the plasma processing apparatus.
  • a processing container using a planar antenna having a plurality of slots As a plasma processing apparatus for performing plasma processing such as oxidation processing, nitriding processing, etching processing, CVD (Chemical Vapor Deposition) processing on an object to be processed such as a semiconductor wafer, a processing container using a planar antenna having a plurality of slots 2.
  • a slot antenna type plasma processing apparatus is known in which a microwave is introduced to generate plasma. In such a microwave plasma processing apparatus, it is possible to generate high-density surface wave plasma in the processing container.
  • the distribution of the plasma generated in the processing container is controlled by the shape and arrangement of the slots, the shape design of the processing container and the microwave transmission plate, and the like.
  • the planar antenna In order to change the plasma distribution according to the processing content, it is necessary to replace the planar antenna with a different slot shape or arrangement.
  • This replacement of the planar antenna is a large-scale work that requires time and effort. It was.
  • the plasma distribution is broken and the plasma distribution is decentered in the processing vessel due to various factors such as manufacturing tolerances, assembly errors, etc. for flat antennas, processing vessels, etc. Since there was no means to correct by a simple method, there was a problem that a large device modification such as replacement of a planar antenna was required.
  • the present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a plasma processing apparatus capable of controlling the distribution of plasma generated in a processing container by simple means.
  • a plasma processing apparatus of the present invention includes a processing container that can be evacuated to accommodate an object to be processed, a planar antenna member that introduces electromagnetic waves generated by an electromagnetic wave generator into the processing container, A waveguide for supplying electromagnetic waves to the planar antenna member; a retardation plate provided on the planar antenna member so as to change the wavelength of the electromagnetic waves supplied from the waveguide; and the retardation plate And a cover member that covers the planar antenna member from above, wherein the slow wave plate is made of a dielectric, and a dielectric constant of a region between the planar antenna member and the cover member is The cross section parallel to the upper surface of the antenna member is not uniform.
  • the present invention is a retardation plate that is provided over a planar antenna member of a plasma processing apparatus and changes the wavelength of an electromagnetic wave supplied from a waveguide,
  • the dielectric constant of the region between the planar antenna member and the cover member that covers the planar antenna member from above is non-uniform in a cross section parallel to the top surface of the planar antenna member.
  • the retardation plate made of a dielectric is configured such that the dielectric constant of the region between the planar antenna member and the cover member changes in a cross section parallel to the upper surface of the planar antenna member.
  • FIG. 1 It is a schematic sectional drawing which shows the structural example of the plasma processing apparatus which concerns on the 1st Embodiment of this invention. It is a top view of a planar antenna board. It is an external appearance perspective view which shows arrangement
  • It is principal part sectional drawing of the plasma processing apparatus which shows the mounting state of the slow wave board of FIG.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing a configuration example of a plasma processing apparatus 100 according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a plan view showing a planar antenna used in the plasma processing apparatus 100 of FIG.
  • the plasma processing apparatus 100 generates plasma by introducing microwaves into a processing container using a planar antenna having a plurality of slot-shaped holes, particularly a RLSA (Radial Line Slot Antenna). It is configured as a plasma processing apparatus that can generate plasma having a low density and a low electron temperature.
  • RLSA Random Line Slot Antenna
  • the plasma processing apparatus 100 processing with plasma having a plasma density of 10 9 / cm 3 to 10 13 / cm 3 and a low electron temperature of 2 eV or less is possible. Therefore, the plasma processing apparatus 100 can be suitably used in the manufacturing process of various semiconductor devices.
  • the plasma processing apparatus 100 includes, as main components, an airtight processing container 1 ⁇ , a gas supply device 18 that supplies gas into the processing container 1, a gas introduction unit 15 that is connected to the gas supply device 18, An exhaust device 24 for evacuating the inside of the processing vessel 1, a microwave introduction mechanism 27 that is provided above the processing vessel 1 and introduces microwaves into the processing vessel 1, and each component of the plasma processing device 100 And a control unit 50 as control means for controlling the above.
  • the gas supply device 18, the exhaust device 24, and the microwave introduction mechanism 27 constitute plasma generation means for generating plasma of the processing gas in the processing container 1.
  • the gas supply device 18 may not be included in the constituent parts of the plasma processing apparatus 100, and an external gas supply device may be connected to the gas introduction unit 15 for use.
  • the processing container 1 is formed of a grounded substantially cylindrical container. Note that the processing container 1 may be formed of a rectangular tube-shaped container.
  • the processing container 1 has a bottom wall 1a and a side wall 1b made of a material such as aluminum.
  • a processing table 1 is provided with a mounting table 2 for horizontally supporting a silicon wafer (hereinafter simply referred to as “wafer”) W, which is an object to be processed.
  • the mounting table 2 is made of a material having high thermal conductivity, such as ceramics such as AlN.
  • the mounting table 2 is supported by a cylindrical support member 3 extending upward from the center of the bottom of the exhaust chamber 11.
  • the support member 3 is made of ceramics such as AlN, for example.
  • the mounting table 2 includes a heating or cooling mechanism, and the temperature of the wafer W can be controlled in a range from room temperature to 900 ° C., for example.
  • the mounting table 2 is provided with wafer support pins (not shown) for supporting the wafer W and moving it up and down.
  • Each wafer support pin is provided so as to protrude and retract with respect to the surface of the mounting table 2.
  • a circular exhaust port 10 is formed at a substantially central portion of the bottom wall 1 a of the processing container 1.
  • the bottom wall 1a is provided with an exhaust chamber 11 that communicates with the exhaust port 10 and protrudes downward.
  • An exhaust pipe 12 is connected to the exhaust chamber 11 and is connected to an exhaust device 24 via the exhaust pipe 12.
  • a plate 13 having an inner periphery formed as a lid for opening and closing the processing container 1 is arranged.
  • the inner peripheral portion of the plate 13 protrudes toward the inner side (the inner space of the soot processing container) and forms an annular support portion 13 a that supports the transmission plate 28.
  • the plate 13 and the processing container 1 are hermetically sealed via a seal member 14.
  • An annular gas introduction portion 15 is provided on the side wall 1b of the processing vessel 1.
  • the gas introduction unit 15 is connected to a gas supply device 18 that supplies an oxygen-containing gas and a plasma excitation gas via a pipe.
  • the gas introduction part 15 may be provided in a nozzle shape protruding into the processing container 1 or a shower shape having a plurality of gas holes.
  • the gas supply device 18 supplies, for example, a rare gas such as Ar, Kr, Xe, or He for plasma generation, an oxidizing gas such as an oxygen gas in an oxidation process, a processing gas such as a nitriding gas in a nitriding process, or the like. It has a source (not shown).
  • a rare gas such as Ar, Kr, Xe, or He
  • an oxidizing gas such as an oxygen gas in an oxidation process
  • a processing gas such as a nitriding gas in a nitriding process, or the like. It has a source (not shown).
  • an etching gas such as Cl 2 , BCl 3 , CF 4, etc.
  • a film forming raw material gas N 2 , Ar, etc.
  • a gas supply source for supplying a purge gas, a cleaning gas such as ClF 3 or NF 3 used for cleaning the inside of the processing container 1 can be provided.
  • Each gas supply source includes a mass flow controller and an open / close valve (not shown) so that the supplied gas can be switched and the flow rate can be controlled.
  • a loading / unloading port 16 for loading / unloading the wafer W between the plasma processing apparatus 100 and a transfer chamber (not shown) adjacent to the plasma processing apparatus 100, and the loading / unloading port 16 are provided on the side wall 1b of the processing container 1.
  • the exhaust device 24 includes a high-speed vacuum pump such as a turbo molecular pump. As described above, the exhaust device 24 is connected to the exhaust chamber 11 of the processing container 1 through the exhaust pipe 12. By operating the exhaust device 24, the gas in the processing container 1 flows uniformly into the space 11 a of the exhaust chamber 11 and is further exhausted to the outside through the exhaust pipe 12 from the space 11 a. Thereby, it is possible to depressurize the inside of the processing container 1 at a high speed, for example, to 0.133 Pa.
  • the microwave introduction mechanism 27 includes a transmission plate 28, a planar antenna plate 31, a slow wave plate 33, a cover member 34, a waveguide 37, a matching circuit 38, and an electromagnetic wave generator 39 as main components.
  • the transmission plate 28 that transmits microwaves is provided on a support portion 13 a that protrudes toward the inner periphery of the plate 13.
  • the transmission plate 28 is made of a dielectric, for example, ceramics such as quartz, Al 2 O 3 , and AlN.
  • a gap between the transmission plate 28 and the support portion 13a is hermetically sealed through a seal member 29. Accordingly, the transmission plate 28 closes the upper opening of the processing container 1 via the plate 13, and the airtightness in the processing container 1 is maintained.
  • the planar antenna plate 31 is provided above the transmission plate 28 so as to face the mounting table 2.
  • the planar antenna plate 31 has a disk shape.
  • the shape of the planar antenna plate 31 is not limited to a disk shape, and may be a square plate shape, for example.
  • the planar antenna plate 31 is locked to the upper end of the plate 13.
  • the planar antenna plate 31 is made of, for example, a copper plate or an aluminum plate whose surface is plated with gold or silver.
  • the planar antenna plate 31 has a number of slot-shaped microwave radiation holes 32 that radiate microwaves.
  • the microwave radiation holes 32 are formed through the planar antenna plate 31 in a predetermined pattern.
  • the individual microwave radiation holes 32 have an elongated rectangular shape (slot shape), for example, as shown in FIG. And typically, the adjacent microwave radiation holes 32 are arranged in a “T” shape. Further, the microwave radiation holes 32 arranged in combination in a predetermined shape (for example, T shape) are further arranged concentrically as a whole.
  • the length and arrangement interval of the microwave radiation holes 32 are determined according to the wavelength ( ⁇ g) of the microwave.
  • the interval between the microwave radiation holes 32 is arranged to be ⁇ g / 4 to ⁇ g.
  • the interval between adjacent microwave radiation holes 32 formed concentrically is indicated by ⁇ r.
  • the microwave radiation hole 32 may have another shape such as a circular shape or an arc shape.
  • the arrangement form of the microwave radiation holes 32 is not particularly limited, and may be arranged in a spiral shape, a radial shape, or the like in addition to the concentric shape.
  • a slow wave plate 33 is provided on the planar antenna plate 31.
  • the slow wave plate 33 is made of a material having a dielectric constant larger than that of a vacuum. Examples of the material of the slow wave plate 33 include quartz, alumina, and aluminum nitride.
  • the slow wave plate 33 has a function of adjusting the electrolytic distribution of the microwave on the upper surface of the planar antenna plate by making the wavelength of the microwave shorter than in the air.
  • the lower surface of the slow wave plate 33 is in contact with the planar antenna plate 31, and the upper surface is in contact with a metal cover member 34.
  • the slow wave plate 33 having a structure separated into an inner and outer double is used.
  • FIG. 3 is an external perspective view showing the arrangement of the slow wave plate 33
  • FIG. 4 is a plan view of the slow wave plate 33
  • FIG. 5 is a cross-sectional view of the main part showing the slow wave plate 33 provided on the planar antenna plate 31.
  • the slow wave plate 33 includes a small-diameter member 101 disposed inside and a large-diameter member 103 surrounding the small-diameter member 101. Both the small diameter member 101 and the large diameter member 103 are flat plates formed in a ring shape.
  • the small diameter member 101 and the large diameter member 103 may be formed of materials having the same dielectric constant, or may be formed of materials having different dielectric constants.
  • An opening 105 penetrating in the thickness direction is provided at the center of the small diameter member 101 in order to be fixed to an inner conductor 41 (described later) passing through the center of the coaxial waveguide 37a. That is, the small diameter member 101 is fixed to the inner conductor 41 at the opening 105.
  • the large diameter member 103 is fixed to, for example, the cover member 34 or the planar antenna plate 31 at the peripheral edge portion 103a.
  • the small-diameter member 101 and the large-diameter member 103 are arranged with a space therebetween.
  • An air layer (air gap AG) is interposed between the small diameter member 101 and the large diameter member 103.
  • the dielectric of the region between the planar antenna plate 31 and the cover member 34 is made using the material of the small diameter member 101 and the large diameter member 103 and, if necessary, the air gap AG. Control the rate.
  • Each of the small diameter member 101 and the large diameter member 103 is made of a dielectric material having a relative dielectric constant ⁇ exceeding 1.
  • the relative dielectric constant ⁇ of the air gap AG which is an air layer is approximately 1.
  • the small diameter member 101 and the large diameter member 103 are arranged,
  • the dielectric constant in the region is non-uniform in a cross section parallel to the upper surface of the planar antenna plate 31.
  • quartz having a relative dielectric constant ⁇ of 3.8 is used as the material of the small-diameter member 101 and the large-diameter member 103
  • the dielectric constant in the upper region adjacent to the planar antenna plate 31 is the upper surface of the planar antenna plate 31.
  • the interval between the small diameter member 101 and the large diameter member 103 (that is, the width L of the air gap AG) can be set to an arbitrary size.
  • the width L of the air gap AG can be set smaller than that in FIG.
  • the radial position where the air gap AG is provided can be variably adjusted. Even when the width L is the same, the ratio (area ratio and volume ratio) between the small diameter member 101 and the large diameter member 103 can be changed by changing the position where the air gap AG is provided.
  • the distribution of the dielectric constant in the region between the planar antenna plate 31 and the cover member 34 can be easily changed. Can do.
  • the small diameter member 101 and the large diameter member 103 in the slow wave plate 33 are not limited to an annular shape, and any shape can be adopted.
  • FIG. 7 shows an example in which the large-diameter member 103 has an uneven shape.
  • the inner periphery of the large-diameter member 103A is deformed so as to have a first arc portion CA1 and a second arc portion CA2 having a smaller radius of curvature than the first arc portion CA1.
  • the width L of the air gap AG which is the distance between the small-diameter member 101 and the large-diameter member 103A, is not uniform and can be designed to be partially reduced only between the second arc CA2.
  • illustration is omitted, the same configuration can be obtained by deforming the outer peripheral shape of the small diameter member 101 instead of the inner peripheral shape of the large diameter member 103.
  • the small-diameter member 101A is arranged eccentric from the center of the large-diameter member 103 (the same as the center of the planar antenna plate 31 or the center of the coaxial waveguide 37a).
  • the width L of the air gap AG is set in the eccentric direction.
  • the eccentric width can be partially reduced, and conversely, the side opposite to the eccentric direction can be designed to increase by the eccentric width. 7 and FIG.
  • the asymmetric shape and the asymmetrical arrangement of the members constituting the slow wave plate 33 are such that the dielectric constant in both the radial direction and the circumferential direction on a plane parallel to the upper surface of the planar antenna plate 31. Can be made non-uniform. Therefore, for example, when the distribution of plasma in the processing container 1 has local strength and is biased, it is effective in correcting the bias. Furthermore, as shown in FIG. 9, the same configuration can be obtained by decentering the inner periphery of the large-diameter member 103.
  • materials having different dielectric constants can be used as the material of the small diameter member 101 (101A) and the large diameter member 103 (103A).
  • the planar antenna plate 31 is used in the case where quartz is used as the material of the small-diameter member 101 in FIGS. 3 to 5 and alumina (Al 2 O 3 ) having a relative dielectric constant ⁇ of 8.5 is used as the material of the large-diameter member 103.
  • the planar antenna plate 31 is used.
  • the distribution of the dielectric constant in the region between the planar antenna plate 31 and the cover member 34 can be easily changed. If the materials of the small diameter member 101 and the large diameter member 103 are different, the small diameter member 101 and the large diameter member 103 may be brought into contact with each other without providing the air gap AG unless damage is caused by thermal expansion or the like.
  • the dielectric constant can be made non-uniform. In this case, it is preferable to select a material having the same thermal expansion coefficient between the small diameter member 101 and the large diameter member 103.
  • a plurality of slow wave plates 33 are provided instead of a single slow wave plate, so that a region directly above the planar antenna plate 31 has a different dielectric constant. Can be subdivided into a plurality of small areas. Therefore, it is possible to finely control the adjustment of the wavelength of the microwave as compared with the case where a single slow wave plate is used, and the distribution of the plasma generated in the processing container 1 can be finely controlled.
  • the members constituting the slow wave plate 33 are not limited to two members, the small diameter member 101 and the large diameter member 103, and three or more members may be used in combination.
  • the thickness of the slow wave plate 33 is preferably set in consideration of the wavelength reduction due to the dielectric constant of the material constituting the slow wave plate 33 and the periodicity of the standing wave in the slow wave plate 33.
  • a cover member 34 having a function of forming a waveguide is provided on the top of the processing container 1 so as to cover the planar antenna plate 31 and the slow wave plate 33.
  • the cover member 34 is formed of a metal material such as aluminum, stainless steel, or copper.
  • the upper end of the plate 13 and the cover member 34 are sealed by a sealing member 35 such as a spiral shield ring having conductivity so that microwaves do not leak outside.
  • the cover member 34 is formed with a cooling water flow path 34a.
  • the cover member 34, the slow wave plate 33, the planar antenna plate 31 and the transmission plate 28 can be cooled by allowing cooling water to flow through the cooling water flow path 34a. By this cooling mechanism, the cover member 34, the slow wave plate 33, the planar antenna plate 31, the transmission plate 28, and the plate 13 are prevented from being deformed or damaged by the heat of plasma.
  • the plate 13, the planar antenna plate 31, and the cover member 34 are grounded.
  • An opening 36 is formed at the center of the cover member 34, and the lower end of the waveguide 37 is connected to the opening 36.
  • An electromagnetic wave generating device 39 that generates a microwave is connected to the other end side of the waveguide 37 via a matching circuit 38.
  • the frequency of the microwave generated by the electromagnetic wave generator 39 for example, 2.45 GHz is preferably used, and 800 MHz to 1 GHz (preferably 800 MHz to 915 MHz), 8.35 GHz, 1.98 GHz, etc. can also be used.
  • the waveguide 37 is connected to a coaxial waveguide 37a having a circular cross section extending upward from the opening 36 of the cover member 34, and an upper end portion of the coaxial waveguide 37a via a mode converter 40. And a rectangular waveguide 37b extending in the horizontal direction.
  • the mode converter 40 has a function of converting the microwave propagating in the TE mode in the rectangular waveguide 37b into the TEM mode.
  • An inner conductor 41 extends in the center of the coaxial waveguide 37a.
  • the inner conductor 41 is connected and fixed to the center of the planar antenna plate 31 at its lower end. With such a structure, the microwave is efficiently and uniformly propagated radially and uniformly to the planar antenna plate 31 through the coaxial waveguide 37 a having the inner conductor 41.
  • the microwave generated by the electromagnetic wave generator 39 is propagated to the planar antenna plate 31 through the waveguide 37 and further into the processing container 1 through the transmission plate 28. It has been introduced.
  • the control unit 50 includes a process controller 51 including a CPU, and a user interface 52 and a storage unit 53 connected to the process controller 51.
  • the process controller 51 controls each component (eg, the gas supply device 18, the exhaust device 24, the electromagnetic wave generation device 39, etc.) related to process conditions such as gas flow rate, pressure, and microwave output. It is a control means to control.
  • the user interface 52 includes a keyboard on which a process manager manages command input to manage the plasma processing apparatus 100, a display for visualizing and displaying the operating status of the plasma processing apparatus 100, and the like.
  • the storage unit 53 stores a recipe in which a control program (software) for realizing various processes executed by the plasma processing apparatus 100 under the control of the process controller 51 and processing condition data are recorded. Yes.
  • recipes such as the control program and processing condition data may be stored in a computer-readable storage medium such as a CD-ROM, hard disk, flexible disk, flash memory, DVD, or Blu-ray disk. Alternatively, it may be transmitted from other devices as needed via, for example, a dedicated line and used online.
  • the plasma processing apparatus 100 configured as described above, it is possible to perform damage-free plasma processing on the base film and the like. In addition, since the plasma processing apparatus 100 is excellent in plasma uniformity, process uniformity can be realized.
  • a command is input from the user interface 52 to perform plasma nitridation processing in the plasma processing apparatus 100.
  • the process controller 51 reads the recipe stored in the storage unit 53.
  • a control signal is sent from the process controller 51 to each end device of the plasma processing apparatus 100 such as the gas supply device 18, the exhaust device 24, and the electromagnetic wave generator 39 so that the plasma nitridation process is executed under conditions based on the recipe.
  • the gate valve 17 is opened and the wafer W is loaded into the processing chamber 1 through the loading / unloading port 16 and mounted on the mounting table 2.
  • an inert gas and a nitrogen-containing gas are introduced from the gas supply device 18 into the processing container 1 through the gas introduction unit 15 at a predetermined flow rate. Further, the inside of the processing container 1 is adjusted to a predetermined pressure by adjusting the exhaust amount and the gas supply amount.
  • the power of the electromagnetic wave generator 39 is turned on to generate microwaves.
  • a microwave having a predetermined frequency, for example, 2.45 GHz is guided to the waveguide 37 through the matching circuit 38.
  • the microwave guided to the waveguide 37 sequentially passes through the rectangular waveguide 37 b and the coaxial waveguide 37 a and is supplied to the planar antenna plate 31.
  • the microwave propagates in the TE mode in the rectangular waveguide 37b, and the TE mode microwave is converted into the TEM mode by the mode converter 40, and the coaxial waveguide 37a is directed toward the planar antenna plate 31.
  • Propagate The wavelength of the microwave is shortened by the slow wave plate 33 when propagating through the flat waveguide between the planar antenna plate 31 and the cover member 34.
  • a small-diameter member 101, a large-diameter member 103, and a slow-wave plate 33 are used as the wave retardation plate 33 so that the dielectric constant of the flat waveguide is nonuniform in the radial direction of the planar antenna plate 31.
  • It is composed of a double member having inner and outer members, and has a structure in which an air gap AG is interposed as required. As a result, the microwave passing through the flat waveguide can be controlled to a desired wavelength.
  • the microwave whose wavelength has been shortened by the slow wave plate 33 enters the space above the wafer W in the processing chamber 1 from the microwave radiation hole 32, which is a hole formed through the planar antenna plate 31, through the transmission plate 28. Radiated.
  • the microwave output is preferably in the range of 0.41 to 4.19 W / cm 2 as the power density per 1 cm 2 area of the planar antenna plate 31 from the viewpoint of efficiently supplying microwaves.
  • the microwave output can be selected from a range of about 500 to 5000 W, for example, so that the power density is within the above range according to the purpose.
  • An electromagnetic field is formed in the processing container 1 by the microwave radiated from the planar antenna plate 31 to the processing container 1 through the transmission plate 28.
  • the inert gas and the nitrogen-containing gas are turned into plasma, respectively.
  • the plasma excited by this microwave has a high density of 10 9 / cm 3 to 10 13 / cm 3 by radiating the microwave from a large number of microwave radiation holes 32 of the planar antenna plate 31 and the wafer. In the vicinity of W, the plasma has a low electron temperature of about 2 eV or less.
  • the high-density plasma formed in this way has little plasma damage due to ions or the like on the underlying film.
  • the silicon surface of the wafer W is nitrided by the action of active species such as radicals or ions in the plasma to form a thin silicon nitride film SiN.
  • active species such as radicals or ions in the plasma
  • silicon can be oxidized, and by using a film-forming raw material gas, a film can be formed by a plasma CVD method. It is also possible to perform etching using a gas.
  • the slow wave plate 33 made of a dielectric has the dielectric constant in the region between the planar antenna plate 31 and the cover member 34 so that the planar antenna plate 31 has a dielectric constant. Since the cross section parallel to the upper surface of the substrate is configured to change in the radial direction and / or the circumferential direction, the wavelength of the microwave is controlled to control the plasma distribution in the processing chamber 1 without replacing the planar antenna plate 31. can do. Therefore, the plasma can be stably maintained in a desired distribution in the processing container 1. Even when the processing container 1 is increased in size in response to an increase in the size of the wafer W, the plasma distribution generated in the processing container 1 can be easily adjusted by changing the configuration of the slow wave plate 33.
  • FIG. 11 is a plan view of the wave retardation plate 33 according to the second embodiment.
  • the slow wave plate 33 includes a small-diameter member 101 disposed inside, a large-diameter member 103 surrounding the small-diameter member 101, and a plurality (eight in FIG. 11) disposed between the small-diameter member 101 and the large-diameter member 103.
  • Each piece 107 is made of a dielectric.
  • the piece 107 may be made of the same material as the small diameter member 101 and the large diameter member 103 or may be made of a different material. It is also possible to use a different material for each piece 107.
  • the piece 107 is configured to be detachable from the slow wave plate 33, and one or a plurality of pieces 107 can be attached or detached.
  • FIG. 11 shows a state where one piece 107 is removed.
  • the portion becomes an air layer (air gap AG). Therefore, the distribution of the dielectric constant in the region between the planar antenna plate 31 and the cover member 34 can be easily changed by changing the number and arrangement of the pieces 107. That is, the dielectric constant in the region can be changed to be nonuniform in various patterns in the radial direction and the circumferential direction in a cross section parallel to the upper surface of the planar antenna plate 31.
  • the pieces 107 are arranged in contact with the small diameter member 101 and / or the large diameter member 103, but may be separated from each other.
  • the piece 107 is brought into contact with the small diameter member 101 and / or the large diameter member 103, it is preferable to select a material having the same thermal expansion coefficient as that of the small diameter member 101 and / or the large diameter member 103.
  • an air layer air gap AG; not shown is interposed in the separated portion.
  • FIG. 12 shows a mode in which the small-diameter member 101 and a plurality of detachable pieces 107A (eight in FIG. 12) are combined as a modified example of the slow wave plate 33 shown in FIG.
  • a piece 107 ⁇ / b> A is disposed around the small diameter member 101 so as to surround the small diameter member 101.
  • Each of the pieces 107A is made of a dielectric.
  • the piece 107A may be made of the same material as the small diameter member 101 or may be made of a different material. It is also possible to use a different material for each piece 107A.
  • the piece 107A is configured to be detachable using the arm 60, and one or a plurality of pieces 107A can be attached or detached.
  • the portion becomes an air layer (air gap AG). Therefore, the distribution of the dielectric constant in the region between the planar antenna plate 31 and the cover member 34 can be easily changed by changing the number and arrangement of the pieces 107A. That is, the dielectric constant in the region can be changed to be nonuniform in various patterns in the radial direction and the circumferential direction in a cross section parallel to the upper surface of the planar antenna plate 31.
  • the pieces 107A are arranged in contact with the small diameter member 101, but may be separated from each other.
  • the piece 107A is brought into contact with the small diameter member 101, it is preferable to select a material having the same thermal expansion coefficient as that of the small diameter member 101.
  • an air layer air gap AG; not shown
  • the adjacent pieces 107A may be brought into contact with each other or separated from each other, and when they are brought into contact with each other, it is preferable to select a material having the same thermal expansion coefficient.
  • an air layer air gap AG; not shown
  • FIG. 13 shows a further modification of the present embodiment, which includes a base plate 111 and a plurality of detachable planar rectangular pieces 113 arranged in combination with the base plate 111.
  • Both the base plate 111 and the piece 113 are made of a dielectric.
  • the piece 113 may be made of the same material as the base plate 111 or may be made of a different material. It is also possible to use a different material for each piece 113.
  • the base plate 111 is provided with a plurality of notches 111a, and an area between the planar antenna plate 31 and the cover member 34 is obtained by inserting or removing the piece 113 into or from the notches 111a.
  • the distribution of the dielectric constant can be easily changed.
  • an air layer air gap AG
  • the dielectric is formed in the radial direction and the circumferential direction in a cross section parallel to the upper surface of the planar antenna plate 31. The rate becomes non-uniform.
  • the dielectric constant is not uniform in the cross section parallel to the upper surface of the planar antenna plate 31 if the base plate 111 and the piece 113 are the same material. If the base plate 111 and the piece 113 are made of different materials, the dielectric constant becomes non-uniform in the radial direction and the circumferential direction in the cross section parallel to the upper surface of the planar antenna plate 31, and a dielectric constant distribution is generated. .
  • FIG. 14 is a perspective view showing an external configuration of the slow wave plate 33 used in the third embodiment
  • FIG. 15 is a cross-sectional view of the main part of the plasma processing apparatus showing a state where the slow wave plate 33 is attached. .
  • the slow wave plate 33 includes a disk member 115 that is a flat plate having an area substantially the same as that of the planar antenna plate 31, and a ring-shaped member 117 that is disposed on the disk member 115.
  • the ring-shaped member 117 is formed in a smaller area than the disk member 115.
  • Both the disk member 115 and the ring-shaped member 117 are made of a dielectric.
  • the disk member 115 and the ring-shaped member 117 may be made of the same material or different materials.
  • the distribution of the dielectric constant in the region between the planar antenna plate 31 and the cover member 34 can be easily changed.
  • the region immediately above the disk member 115 is an air layer (air gap AG) except for the portion where the ring-shaped member 117 having a predetermined dielectric constant exists, so that the dielectric constant is parallel to the upper surface of the planar antenna plate 31.
  • the cross section is non-uniform.
  • the ring-shaped member 117 is configured to be movable so that the arrangement can be changed by the arm 60 on the disk member 115. Since the shape of the air gap AG is changed by changing the arrangement of the ring-shaped member 117 ⁇ ⁇ , the dielectric constant distribution in the region between the planar antenna plate 31 and the cover member 34 is parallel to the upper surface of the planar antenna plate 31. It can be easily changed in a simple cross section.
  • FIG. 16 is a cross-sectional view of the main part of the plasma processing apparatus 100 showing a state in which the slow wave plate 33 is attached.
  • the ring-shaped member 117 is disposed in contact with the upper surface of the planar antenna plate 31, and the disk member 115 is stacked thereon.
  • the ring-shaped member 115 is not movable but is fixed to the inner conductor 41 passing through the center of the coaxial waveguide 37a, for example.
  • the ring-shaped member 117 is interposed between the disk member 115 and the planar antenna plate 31, so that the dielectric constant of the region between the planar antenna plate 31 and the cover member 34 is changed to the planar antenna plate 31. It is possible to make it non-uniform in a cross section parallel to the upper surface. That is, the region immediately below the disk member 115 is an air layer (air gap AG) except for a portion where the ring-shaped member 117 having a predetermined dielectric constant exists, and therefore, in a cross section parallel to the upper surface of the planar antenna plate 31. A dielectric constant distribution is generated.
  • FIG. 17 is a cross-sectional view of a main part of the plasma processing apparatus showing a state where the slow wave plate 33 used in the fourth embodiment is attached.
  • the slow wave plate 33 of the present embodiment includes a base plate 119 and a recess, that is, a groove 121 partially formed in the base plate 119.
  • one or more grooves 121 are partially formed on the upper surface of the base plate 119 (on the side opposite to the surface in contact with the planar antenna plate 31).
  • the position, shape, depth, size, and the like of the groove 121 are not particularly limited.
  • the groove 121 may be provided in an annular shape so as to surround the coaxial waveguide 37a, or a plurality of grooves 121 may be provided within the surface of the base plate 119. You may provide so that the groove
  • the dielectric constant of the region between the planar antenna plate 31 and the cover member 34 is finely divided in a cross section parallel to the upper surface of the planar antenna plate 31. can do. That is, since the portion of the groove 121 ⁇ ⁇ becomes an air layer (air gap AG), a dielectric constant difference occurs between the base plate 119 having a predetermined dielectric constant. Therefore, the dielectric constant of the region between the planar antenna plate 31 and the cover member 34 can be made non-uniform in a cross section parallel to the upper surface of the planar antenna plate 31.
  • a groove 121 may be partially provided on the lower surface of the base plate 119 (the surface in contact with the planar antenna plate 31).
  • the grooves 121 may be partially provided on the upper and lower surfaces of the plate 119.
  • the plasma processing apparatus of the present embodiment is the same as the plasma processing apparatus 100 (FIG. 1) of the first embodiment except that the configuration of the slow wave plate 33 is different. Only the configuration of the slow wave plate 33 will be described.
  • 19 and 20 are plan views of the slow wave plate 33 according to the present embodiment.
  • the slow wave plate 33 of the present embodiment has a single base plate 123 and one or a plurality of (9 in FIG. 19, one in FIG. 20) through-openings 125 penetrating in the thickness direction. .
  • the shape, size, and arrangement position of the through-opening 125 in the base plate 123 are arbitrary and are not particularly limited. For example, a spiral shape, an annular shape, a semicircular shape, and an arc shape so as to surround the coaxial waveguide 37a. Etc. are preferably provided.
  • the dielectric constant of the region between the planar antenna plate 31 and the cover member 34 is finely divided in a cross section parallel to the upper surface of the planar antenna plate 31. be able to. That is, since the portion of the through-opening 125 becomes an air layer (air gap AG), a dielectric constant difference occurs between the base plate 123 having a predetermined dielectric constant, and the dielectric constant is parallel to the upper surface of the planar antenna plate 31.
  • the cross section can be non-uniform.
  • the through openings 125 are non-uniformly arranged in the base plate 123, for example, the mounting position of the base plate 123 is arbitrary as shown by arrows in FIGS. By rotating at an angle of, it is possible to easily change the dielectric constant distribution in the region between the planar antenna plate 31 and the cover member 34.
  • the finite element method is used to determine the effect of the structure of the slow wave plate 33 on the efficiency of introducing microwave power into the processing container 1. It was verified by 3D simulation. In the simulation, COMSOL (trade name; manufactured by COMSOL) was used as software, and the electric field strength and its distribution immediately below the transmission plate 28 were calculated when the following three types of slow wave plates were mounted.
  • the material of the slow wave plate 33 is quartz.
  • Slow wave plate A (example of the present invention): In a double wave structure slow wave plate similar to that shown in FIGS. 3 to 5, the radial distance from the center to the outer periphery of the small diameter member 101 is about 160 mm.
  • the width of the air gap AG was set to 10 mm, 20 mm, 30 mm, 40 mm, 50 mm, 60 mm, and 72.5 mm.
  • Slow wave plate B (example of the present invention): In a slow wave plate having a double ring structure similar to that shown in FIGS. 3 to 5, the radial distance from the center to the outer peripheral portion of the small diameter member 101 is about 195 mm.
  • the width of the air gap AG was set to 10 mm, 20 mm, 30 mm, and 38.5 mm, respectively.
  • Slow wave plate S (comparative example): A single disk shape.
  • FIG. 21 shows the electric field intensity distribution immediately below the transmission plate 28 in black and white.
  • the white area has a high electric field intensity and the black area has a low electric field intensity.
  • the electric field distribution in the processing container 1 can be greatly changed.
  • the width L of the air gap AG when the width L of the air gap AG is 30 mm, the electric field distribution is strong immediately below the peripheral portion of the transmission plate 28, and when the width L is 40 mm, the electric field distribution is strong immediately below the center portion of the transmission plate 28.
  • the tendency of the electric field distribution to change depending on the width L of the air gap AG was recognized.
  • the electric field distribution is biased such that the electric field is strengthened only in a portion where the electric field distribution is locally weak in the processing container 1. It is thought that control that positively corrects is possible.
  • a plasma nitriding process was performed on the silicon wafer using a plasma processing apparatus having the same configuration as the plasma processing apparatus 100 shown in FIG.
  • a plasma processing apparatus having the same configuration as the plasma processing apparatus 100 shown in FIG.
  • the retardation plate 33 a retardation plate having a double ring structure similar to that shown in FIGS. 3 to 5 was used.
  • the width of the air gap AG was 30 mm or 40 mm.
  • the process conditions are as follows.
  • FIG. 22 shows the electric field intensity distribution immediately below the transmission plate 28 in the simulation experiment in black and white.
  • the white area has a high electric field strength
  • the black area has a low electric field intensity.
  • the plasma processing apparatus 100 of the present invention can be applied to, for example, a plasma oxidation processing apparatus, a plasma CVD processing apparatus, a plasma etching processing apparatus, a plasma ashing processing apparatus, etc. in addition to a plasma nitriding processing apparatus.
  • the plasma processing apparatus 100 including the planar antenna plate 31 according to the present invention is not limited to processing a semiconductor wafer as an object to be processed.
  • a flat panel display apparatus such as a liquid crystal display apparatus or an organic EL display apparatus
  • the present invention can also be applied to a plasma processing apparatus using a substrate of a battery panel as an object to be processed.

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Abstract

本発明のプラズマ処理装置は、電磁波発生装置で発生した電磁波を処理容器内に導入する平面アンテナ部材と、電磁波を平面アンテナ部材へ供給する導波管と、平面アンテナ部材の上に重ねて設けられ、導波管から供給された電磁波の波長を変化させる遅波板と、遅波板及び平面アンテナ部材を上方から覆うカバー部材と、を備え、遅波板は、誘電体によって構成されるとともに、平面アンテナ部材とカバー部材との間の領域の誘電率が、平面アンテナ部材の上面と平行な断面において、非均一である。

Description

プラズマ処理装置及びこれに用いる遅波板
　本発明は、処理容器へ所定周波数の電磁波を透過させて導き、プラズマを生成させて被処理体をプラズマ処理するプラズマ処理装置及びこれに用いる遅波板に関する。
　半導体ウエハなどの被処理体に対し、例えば酸化処理や窒化処理、エッチング処理、ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｖａｐｏｒ　Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）処理などのプラズマ処理を行うプラズマ処理装置として、複数のスロットを有する平面アンテナを用いて処理容器内にマイクロ波を導入してプラズマを生成させるスロットアンテナ方式のプラズマ処理装置が知られている。このようなマイクロ波プラズマ処理装置では、処理容器内で高密度の表面波プラズマを生成させることが可能である。
　次世代以降のデバイス開発に向けて、例えば３次元デバイス加工や微細化への対応を図りながら生産性を向上させるためには、大型の基板を処理する場合でも、基板面内における処理の均一性を確保する必要がある。そのためには、基板に対応して大型化する処理容器内で、生成するプラズマ分布の制御性を向上させる必要がある。
　上記スロットアンテナ方式のプラズマ処理装置において、処理容器内で生成したプラズマの分布の制御は、スロットの形状や配置、処理容器やマイクロ波透過板の形状設計などにより行われていた。例えば、処理内容に応じてプラズマの分布を変えるためには、異なるスロット形状や配置の平面アンテナに交換することが必要であるが、この平面アンテナの交換は手間と時間を要する大掛かりな作業であった。また、平面アンテナ、処理容器などの製作公差、組み立て誤差、同一仕様の装置間での機差などの諸要因により、処理容器内でプラズマの対称性が崩れプラズマ分布が偏心した場合も、これを簡易な方法で補正する手段がなかったため、平面アンテナの交換などの大掛かりな装置改変が必要になってしまうという問題があった。
　本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、処理容器内で生成するプラズマの分布を簡易な手段で制御できるプラズマ処理装置を提供することである。
　上記課題を解決するため、本発明のプラズマ処理装置は、被処理体を収容する真空引き可能な処理容器と、電磁波発生装置で発生した電磁波を前記処理容器内に導入する平面アンテナ部材と、前記電磁波を前記平面アンテナ部材へ供給する導波管と、前記平面アンテナ部材の上に重ねて設けられ、前記導波管から供給された前記電磁波の波長を変化させる遅波板と、前記遅波板及び前記平面アンテナ部材を上方から覆うカバー部材と、を備え、前記遅波板は、誘電体により構成されるとともに、前記平面アンテナ部材と前記カバー部材との間の領域の誘電率が、前記平面アンテナ部材の上面と平行な断面において、非均一である。
　別な観点によれば、本発明は、プラズマ処理装置の平面アンテナ部材の上に重ねて設けられ、導波管から供給された電磁波の波長を変化させる遅波板であって、
誘電体によって構成されるとともに、前記平面アンテナ部材と、前記平面アンテナ部材を上方から覆うカバー部材との間の領域の誘電率が、前記平面アンテナ部材の上面と平行な断面において、非均一である。
　本発明によれば、誘電体により構成される遅波板を、平面アンテナ部材とカバー部材との間の領域の誘電率が平面アンテナ部材の上面と平行な断面において変化するように構成したので、電磁波の波長を制御して、平面アンテナ部材を交換しなくとも処理容器内におけるプラズマ分布を制御することができる。従って、処理容器内で所望の分布でプラズマを安定的に維持することができる、という効果を奏する。また、基板の大型化に対応して処理容器を大型化させた場合でも、遅波板の構成を変えることによって、処理容器内で生成するプラズマ分布を簡単に調節できる。
本発明の第１の実施の形態に係るプラズマ処理装置の構成例を示す概略断面図である。 平面アンテナ板の平面図である。 本発明の第１の実施の形態における遅波板の配置を示す外観斜視図である。 図３の遅波板の平面図である。 遅波板の装着状態を示すプラズマ処理装置の要部断面図である。 第１の実施の形態の遅波板の変形例を示す平面図である。 第１の実施の形態の遅波板の別の変形例を示す平面図である。 第１の実施の形態の遅波板のさらに別の変形例を示す平面図である。 第１の実施の形態の遅波板のさらに別の変形例を示す平面図である。 図１のプラズマ処理装置の制御系統の概略構成を示すブロック図である。 本発明の第２の実施の形態に係る遅波板の平面図である。 第２の実施の形態に係る遅波板の変形例を示す平面図である。 第２の実施の形態に係る遅波板の別の変形例を示す平面図である。 本発明の第３の実施の形態における遅波板の配置を示す外観斜視図である。 図１４の遅波板の装着状態を示すプラズマ処理装置の要部断面図である。 第３の実施の形態の遅波板の変形例を示すプラズマ処理装置の要部断面図である。 本発明の第４の実施の形態における遅波板の装着状態を示すプラズマ処理装置の要部断面図である。 第４の実施の形態における遅波板の別の装着状態を示すプラズマ処理装置の要部断面図である。 本発明の第５の実施の形態に係る遅波板の平面図である。 第５の実施の形態に係る遅波板の変形例を示す平面図である。 シミュレーション実験における透過板直下における電界強度分布を示す図面である。 シミュレーション実験における透過板直下における電界強度分布を示す図面である。
［第１の実施の形態］
　以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。図１は、本発明の第１の実施の形態に係るプラズマ処理装置１００の構成例を模式的に示す断面図である。図２は、図１のプラズマ処理装置１００に用いられる平面アンテナを示す平面図である。プラズマ処理装置１００は、複数のスロット状の孔を有する平面アンテナ、特にＲＬＳＡ（Ｒａｄｉａｌ　Ｌｉｎｅ　Ｓｌｏｔ　Ａｎｔｅｎｎａ；ラジアルラインスロットアンテナ）にて処理容器内にマイクロ波を導入してプラズマを発生させることにより、高密度かつ低電子温度のプラズマを発生させ得るプラズマ処理装置として構成されている。プラズマ処理装置１００では、１０９／ｃｍ３～１０１３／ｃｍ３のプラズマ密度で、かつ２ｅＶ 以下の低電子温度を有するプラズマによる処理が可能である。従って、プラズマ処理装置１００は、各種半導体装置の製造過程において好適に利用できるものである。
　プラズマ処理装置１００は、主要な構成として、気密に構成された処理容器１ と、処理容器１内にガスを供給するガス供給装置１８と、このガス供給装置１８に接続するガス導入部１５と、処理容器１内を減圧排気するための排気装置２４と、処理容器１の上部に設けられ、処理容器１内にマイクロ波を導入するマイクロ波導入機構２７と、これらプラズマ処理装置１００の各構成部を制御する制御手段としての制御部５０と、を備えている。なお、ガス供給装置１８、排気装置２４およびマイクロ波導入機構２７は、処理容器１内で処理ガスのプラズマを生成させるプラズマ生成手段を構成している。なお、ガス供給装置１８をプラズマ処理装置１００の構成部分には含めずに、外部のガス供給装置をガス導入部１５に接続して使用する構成としてもよい。
　処理容器１は、接地された略円筒状の容器により形成されている。なお、処理容器１は角筒形状の容器により形成してもよい。処理容器１は、アルミニウム等の材質からなる底壁１ａと側壁１ｂとを有している。
　処理容器１の内部は、被処理体であるシリコンウエハ（ 以下、単に「ウエハ」と記す）Ｗを水平に支持するための載置台２が設けられている。載置台２は、熱伝導性の高い材質例えばＡｌＮ 等のセラミックスにより構成されている。この載置台２は、排気室１１の底部中央から上方に延びる円筒状の支持部材３により支持されている。支持部材３は、例えばＡｌＮ等のセラミックスにより構成されている。
　また、載置台２は、加熱または冷却機構を備えておりウエハＷの温度を例えば室温から９００℃までの範囲で制御可能となっている。
　また、載置台２には、ウエハＷを支持して昇降させるためのウエハ支持ピン（ 図示せず）が設けられている。各ウエハ支持ピンは、載置台２の表面に対して突没可能に設けられている。
　処理容器１の底壁１ａの略中央部には、円形の排気口１０ が形成されている。底壁１ａにはこの排気口１０と連通し、下方に向けて突出する排気室１１が設けられている。この排気室１１には、排気管１２が接続されており、この排気管１２を介して排気装置２４に接続されている。
　処理容器１の上端には、処理容器１を開閉させるリッドとしての内周が環状に形成するプレート１３が配置されている。プレート１３の内周部は、内側（ 処理容器内空間） へ向けて突出し、透過板２８を支持する環状の支持部１３ａを形成している。このプレート１３と処理容器１との間は、シール部材１４を介して気密にシールされている。
　処理容器１の側壁１ｂには、環状をなすガス導入部１５が設けられている。このガス導入部１５は、配管を介して酸素含有ガスやプラズマ励起用ガスを供給するガス供給装置１８に接続されている。なお、ガス導入部１５は、処理容器１内に突出するノズル状、または複数のガス孔を有するシャワー状に設けてもよい。
　ガス供給装置１８は、例えば、プラズマ生成用のＡｒ、Ｋｒ、Ｘｅ、Ｈｅ等の希ガスや、酸化処理における酸素ガス等の酸化性ガス、窒化処理における窒化ガスなどの処理ガス等を供給するガス供給源（図示せず）を有している。また、エッチング処理の場合には、Ｃｌ２、ＢＣｌ３、ＣＦ４等のエッチングガス、ＣＶＤ処理の場合には、成膜原料ガス、処理容器内雰囲気を置換する際に用いるＮ２、Ａｒ等のパージガス、処理容器１内をクリーニングする際に用いるＣｌＦ３、ＮＦ３等のクリーニングガス等を供給するガス供給源を設けることもできる。各ガス供給源は、図示しないマスフローコントローラおよび開閉バルブを備え、供給されるガスの切替えや流量等の制御が出来るようになっている。
　また、処理容器１の側壁１ｂには、プラズマ処理装置１００と、これに隣接する搬送室（図示せず）との間でウエハＷの搬入出を行うための搬入出口１６と、この搬入出口１６を開閉するゲートバルブ１７とが設けられている。
　排気装置２４は、例えばターボ分子ポンプなどの高速真空ポンプを備えている。前記のように、排気装置２４は、排気管１２を介して処理容器１の排気室１１に接続されている。排気装置２４を作動させることにより、処理容器１内のガスは、排気室１１の空間１１ａ内へ均一に流れ、さらに空間１１ａから排気管１２を介して外部へ排気される。これにより、処理容器１内を例えば０．１３３Ｐａまで高速に減圧することが可能となっている。
　次に、マイクロ波導入機構２７の構成について説明する。マイクロ波導入機構２７は、主要な構成として、透過板２８、平面アンテナ板３１、遅波板３３、カバー部材３４、導波管３７、マッチング回路３８および電磁波発生装置３９を備えている。
　マイクロ波を透過させる透過板２８は、プレート１３において内周側に張り出した支持部１３ａ上に配備されている。透過板２８は、誘電体、例えば石英やＡｌ２Ｏ３、ＡｌＮ等のセラミックスから構成されている。この透過板２８と支持部１３ａとの間は、シール部材２９を介して気密にシールされている。したがって、透過板２８は、プレート１３を介して処理容器１の上部の開口を塞いでおり、処理容器１内の気密性が保持されている。
　平面アンテナ板３１は、透過板２８の上方において、載置台２と対向するように設けられている。平面アンテナ板３１は、円板状をなしている。なお、平面アンテナ板３１の形状は、円板状に限らず、例えば四角板状でもよい。この平面アンテナ板３１は、プレート１３の上端に係止されている。
　平面アンテナ板３１は、例えば表面が金または銀メッキされた銅板またはアルミニウム板から構成されている。平面アンテナ板３１は、マイクロ波を放射する多数のスロット状のマイクロ波放射孔３２を有している。マイクロ波放射孔３２は、所定のパターンで平面アンテナ板３１を貫通して形成されている。
　個々のマイクロ波放射孔３２は、例えば図２に示すように、細長い長方形状（スロット状）をなしている。そして、典型的には隣接するマイクロ波放射孔３２が「Ｔ」字状に配置されている。また、このように所定の形状（例えばＴ字状）に組み合わせて配置されたマイクロ波放射孔３２は、さらに全体として同心円状に配置されている。
　マイクロ波放射孔３２の長さや配列間隔は、マイクロ波の波長（λｇ）に応じて決定される。例えば、マイクロ波放射孔３２の間隔は、λｇ／４～λｇとなるように配置される。図２においては、同心円状に形成された隣接するマイクロ波放射孔３２どうしの間隔をΔｒで示している。なお、マイクロ波放射孔３２の形状は、円形状、円弧状等の他の形状であってもよい。さらに、マイクロ波放射孔３２の配置形態は特に限定されず、同心円状のほか、例えば、螺旋状、放射状等に配置することもできる。
　平面アンテナ板３１の上には、遅波板３３が設けられている。遅波板３３は、真空よりも大きい誘電率を有する材料から構成されている。遅波板３３の材料としては、例えば、石英、アルミナ、窒化アルミニウムなどを挙げることができる。この遅波板３３は、空気中よりもマイクロ波の波長を短くして平面アンテナ板上面におけるマイクロ波の電解分布を調整する機能を有している。遅波板３３の下面は、平面アンテナ板３１に当接しており、上面は、金属製のカバー部材３４に当接している。本実施の形態では、遅波板３３として、内外二重に分離した構造のものを用いる。
　図３は、遅波板３３の配置を示す外観斜視図であり、図４は遅波板３３の平面図である。図５は、平面アンテナ板３１の上に配備された遅波板３３を示す要部断面図である。遅波板３３は、内側に配置される小径部材１０１と、小径部材１０１を囲む大径部材１０３とから構成されている。小径部材１０１と大径部材１０３は、いずれもリング状に形成された平板である。小径部材１０１及び大径部材１０３は、同じ誘電率を持つ材質で形成してもよいし、あるいは、異なる誘電率の材質で形成してもよい。小径部材１０１の中央部には、同軸導波管３７ａの中心を通る内導体４１（後述）へ固定するために、厚み方向に貫通した開口部１０５が設けられている。つまり、小径部材１０１は、開口部１０５において内導体４１に固定されている。大径部材１０３は、その周縁部１０３ａにおいて、例えばカバー部材３４又は平面アンテナ板３１に固定されている。
　小径部材１０１と大径部材１０３とは、間隔をあけて配置されている。小径部材１０１と大径部材１０３との間には、空気層（エアギャップＡＧ）が介在している。本実施の形態のプラズマ処理装置１００では、小径部材１０１及び大径部材１０３の材質と、必要に応じてエアギャップＡＧを利用して、平面アンテナ板３１とカバー部材３４との間の領域の誘電率を制御している。小径部材１０１及び大径部材１０３は、いずれも比誘電率εが１を超える誘電体材料で構成されている。それに対して、空気層であるエアギャップＡＧの比誘電率εは、ほぼ１である。従って、平面アンテナ板３１に隣接する上方の領域（平面アンテナ板３１とカバー部材３４との間）を一つのまとまった単位として考えると、小径部材１０１と大径部材１０３を配置したことによって、当該領域における誘電率は、平面アンテナ板３１の上面と平行な断面において、非均一になっている。例えば、小径部材１０１及び大径部材１０３の材質として比誘電率εが３．８である石英を使用した場合、平面アンテナ板３１ に隣接する上方の領域の誘電率は、平面アンテナ板３１の上面に平行な断面において、中心の内導体４１側から径外方向に、比誘電率ε＝３．８（小径部材１０１）、ε＝１（エアギャップＡＧ）、ε＝３．８（大径部材１０３）のように変化する。
　本実施の形態では、小径部材１０１と大径部材１０３との間隔（つまり、エアギャップＡＧの幅Ｌ）は、任意の大きさに設定できる。例えば、図６に示したように、エアギャップＡＧの幅Ｌを図４に比べて小さく設定することも可能である。エアギャップＡＧの幅Ｌを変化させることによって、小径部材１０１と大径部材１０３の合計体積に対する空気層の体積比率を変化させることができる。
　また、エアギャップＡＧを設ける径方向の位置も可変に調節できる。幅Ｌが同じ場合でも、エアギャップＡＧを設ける位置を変えることによって、小径部材１０１と大径部材１０３との比率（面積比率及び体積比率）を変化させることができる。このように、小径部材１０１、大径部材１０３及びエアギャップＡＧの配置と比率を調節することにより、平面アンテナ板３１とカバー部材３４との間の領域の誘電率の分布を簡単に変化させることができる。
　また、遅波板３３における小径部材１０１と大径部材１０３は円環状に限るものではなく、任意の形状を採用できる。例えば図７は、大径部材１０３を非均等な形状にした例である。この例では、大径部材１０３Ａの内周が、第１の円弧部分ＣＡ１と、第１の円弧部分ＣＡ１ よりも曲率半径の小さな第２の円弧部分ＣＡ２とを有するように変形させている。このような形状により、小径部材１０１ と大径部材１０３Ａとの間隔であるエアギャップＡＧの幅Ｌが均一ではなく、第２の円弧ＣＡ２との間だけ部分的に小さくなるように設計できる。なお、図示は省略するが、大径部材１０３の内周形状ではなく、小径部材１０１の外周形状を変形させることによっても、同様の構成が得られる。
　また、例えば図８では、小径部材１０１Ａを、大径部材１０３の中心（平面アンテナ板３１の中心または同軸導波管３７ａの中心と同じ）から偏心させて配置している。このように、小径部材１０１Ａの外周と、大径部材１０３の内周とが同心円を形成しないように、小径部材１０１Ａを偏心させて配置することにより、エアギャップＡＧの幅Ｌを偏心方向には偏心幅だけ部分的に小さくし、逆に、偏心方向と反対側は、偏心幅だけ大きくなるように設計できる。図７及び図８に示すような遅波板３３を構成する部材の非対称な形状や非対称な配置は、平面アンテナ板３１ の上面と平行な平面において、径方向と周方向の両方で、誘電率を非均一にすることができる。従って、例えば、処理容器１内のプラズマの分布に局所的な強弱があって偏っている場合などに、その偏りを是正する際に有効である。さらに、図９に示すように、大径部材１０３の内周を偏心させることによっても同様の構成が得られる。
　また、本実施の形態では、小径部材１０１（１０１Ａ）と大径部材１０３（１０３Ａ）の材質として、異なる誘電率の材料を用いることも可能である。例えば、図３から図５における小径部材１０１の材質として石英を、大径部材１０３の材質として比誘電率εが８．５であるアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）を使用した場合、平面アンテナ板３１の上面に平行な上方領域は、中心の内導体４１側から径外方向に、比誘電率ε＝３．８（小径部材１０１）、ε＝１（エアギャップＡＧ）、ε＝８．５（大径部材１０３）のように変化する。このように、小径部材１０１と大径部材１０３の材質を変えることによっても、平面アンテナ板３１とカバー部材３４ との間の領域の誘電率の分布を簡単に変化させることができる。なお、小径部材１０１と大径部材１０３の材質が異なる場合には、熱膨張等によって破損が生じない限り、エアギャップＡＧを設けずに、小径部材１０１と大径部材１０３とを接触させても誘電率を非均一な状態にすることができる。この場合は、小径部材１０１と大径部材１０３との熱膨張係数が同程度の材質を選択することが好ましい。
　このように、本実施の形態のプラズマ処理装置１００では、単体の遅波板ではなく、複数に分離した遅波板３３を設けたことによって、平面アンテナ板３１の直上の領域を、異なる誘電率をもつ複数の小領域に細分化できる。そのため、単体の遅波板を用いる場合に比べ、マイクロ波の波長の調節を細かく制御することが可能であり、処理容器１内で生成するプラズマの分布を細かく制御できる。なお、遅波板３３を構成する部材としては、小径部材１０１と大径部材１０３の２ つの部材に限るものではなく、３つ以上の部材を組み合わせて使用することもできる。
　なお、遅波板３３の厚みは、遅波板３３を構成する材質の誘電率による波長短縮と遅波板３３内での定在波の周期性を考慮して設定することが好ましい。
　処理容器１の上部には、これら平面アンテナ板３１および遅波板３３を覆うように、導波路を形成する機能も有するカバー部材３４が設けられている。カバー部材３４は、例えばアルミニウムやステンレス鋼、銅等の金属材料によって形成されている。プレート１３の上端とカバー部材３４とは、マイクロ波が外部へ漏えいしないように導電性を有するスパイラルシールドリングなどのシール部材３５によりシールされている。また、カバー部材３４には、冷却水流路３４ａが形成されている。この冷却水流路３４ａに冷却水を通流させることにより、カバー部材３４、遅波板３３、平面アンテナ板３１および透過板２８を冷却できるようになっている。この冷却機構により、カバー部材３４、遅波板３３、平面アンテナ板３１、透過板２８およびプレート１３がプラズマの熱により変形・破損することが防止される。なお、プレート１３、平面アンテナ板３１およびカバー部材３４は接地されている。
　カバー部材３４の中央には、開口部３６が形成されており、この開口部３６には導波管３７の下端が接続されている。導波管３７の他端側には、マッチング回路３８を介してマイクロ波を発生する電磁波発生装置３９が接続されている。電磁波発生装置３９で発生させるマイクロ波の周波数としては、例えば２．４５ＧＨｚが好ましく用いられ、他に８００ＭＨｚ～１ＧＨｚ（ 好ましくは８００ＭＨｚ～９１５ＭＨｚ）、８．３５ＧＨｚ、１．９８ＧＨｚ 等を用いることもできる。
　導波管３７は、上記カバー部材３４の開口部３６から上方へ延出する断面円形状の同軸導波管３７ａと、この同軸導波管３７ａの上端部にモード変換器４０を介して接続された水平方向に延びる矩形導波管３７ｂとを有している。モード変換器４０は、矩形導波管３７ｂ内をＴＥモードで伝播するマイクロ波をＴＥＭモードに変換する機能を有している。
　同軸導波管３７ａの中心には内導体４１が延在している。この内導体４１は、その下端部において平面アンテナ板３１の中心に接続固定されている。このような構造により、マイクロ波は、内導体４１を有する同軸導波管３７ａを介して平面アンテナ板３１へ放射状に効率よく均一に伝播される。
　以上のような構成のマイクロ波導入機構２７により、電磁波発生装置３９で発生したマイクロ波が導波管３７を介して平面アンテナ板３１へ伝搬され、さらに透過板２８を介して処理容器１内に導入されるようになっている。
　プラズマ処理装置１００の各構成部は、制御部５０に接続されて制御される構成となっている。制御部５０は、図１０に示したように、ＣＰＵを備えたプロセスコントローラ５１と、このプロセスコントローラ５１に接続されたユーザーインターフェース５２および記憶部５３を備えている。プロセスコントローラ５１ は、プラズマ処理装置１００において、例えばガス流量、圧力、マイクロ波出力などのプロセス条件に関係する各構成部（ 例えば、ガス供給装置１８、排気装置２４、電磁波発生装置３９など）を統括して制御する制御手段である。
　ユーザーインターフェース５２は、工程管理者がプラズマ処理装置１００を管理するためにコマンドの入力操作等を行うキーボードや、プラズマ処理装置１００の稼働状況を可視化して表示するディスプレイ等を有している。また、記憶部５３には、プラズマ処理装置１００で実行される各種処理をプロセスコントローラ５１の制御にて実現するための制御プログラム（ソフトウエア）や処理条件データ等が記録されたレシピが保存されている。
　そして、必要に応じて、ユーザーインターフェース５２からの指示等にて任意のレシピを記憶部５３から呼び出してプロセスコントローラ５１に実行させることで、プロセスコントローラ５１の制御下、プラズマ処理装置１００の処理容器１内で所望の処理が行われる。また、前記制御プログラムや処理条件データ等のレシピは、コンピュータ読み取り可能な記憶媒体、例えばＣＤ－ＲＯＭ、ハードディスク、フレキシブルディスク、フラッシュメモリ、ＤＶＤ、ブルーレイディスクなどに格納された状態のものを利用したり、あるいは、他の装置から、例えば専用回線を介して随時伝送させてオンラインで利用したりすることも可能である。
　このように構成されたプラズマ処理装置１００によれば、下地膜等へのダメージフリーなプラズマ処理を行うことができる。また、プラズマ処理装置１００は、プラズマの均一性に優れていることから、プロセスの均一性を実現できる。
　次に、本実施の形態に係るプラズマ処理装置１００を用いたプラズマ処理の手順の一例について説明する。ここでは、処理ガスとして窒素を含有するガスを用い、ウエハ表面をプラズマ窒化処理する場合を例に挙げる。まず、例えばユーザーインターフェース５２から、プラズマ処理装置１００でプラズマ窒化処理を行うように指令が入力される。この指令を受けて、プロセスコントローラ５１は、記憶部５３に保存されたレシピを読み出す。そして、レシピに基づく条件でプラズマ窒化処理が実行されるように、プロセスコントローラ５１からプラズマ処理装置１００の各エンドデバイス例えばガス供給装置１８、排気装置２４、電磁波発生装置３９などへ制御信号が送出される。
　そして、ゲートバルブ１７を開にして搬入出口１６からウエハＷを処理容器１ 内に搬入し、載置台２上に載置する。次に、処理容器１内を減圧排気しながら、ガス供給装置１８から、不活性ガスおよび窒素含有ガスを所定の流量でそれぞれガス導入部１５を介して処理容器１内に導入する。さらに、排気量およびガス供給量を調整して処理容器１内を所定の圧力に調節する。
　次に、電磁波発生装置３９のパワーをオン（入）にして、マイクロ波を発生させる。そして、所定の周波数例えば２．４５ＧＨｚのマイクロ波は、マッチング回路３８を介して導波管３７に導かれる。導波管３７に導かれたマイクロ波は、矩形導波管３７ｂおよび同軸導波管３７ａを順次通過し、平面アンテナ板３１に供給される。マイクロ波は、矩形導波管３７ｂ内ではＴＥモードで伝搬し、このＴＥモードのマイクロ波はモード変換器４０でＴＥＭモードに変換されて、同軸導波管３７ａ内を平面アンテナ板３１に向けて伝搬していく。そして、マイクロ波は、平面アンテナ板３１とカバー部材３４との間の偏平導波路を伝搬する際に、遅波板３３によって波長が短縮される。本実施の形態のプラズマ処理装置１００では、上記偏平導波路の誘電率が平面アンテナ板３１の径外方向に非均一になるように、遅波板３３として、小径部材１０１と大径部材１０３とを有する内外二重の部材からなり、必要に応じて間にエアギャップＡＧを介在させた構成のものを用いている。その結果、偏平導波路を通過するマイクロ波を所望の波長に制御できる。
　遅波板３３によって波長が短縮化されたマイクロ波は、平面アンテナ板３１に貫通形成された孔であるマイクロ波放射孔３２から透過板２８を介して処理容器１内におけるウエハＷの上方空間に放射される。マイクロ波出力は、マイクロ波を効率良く供給する観点から、平面アンテナ板３１の面積１ｃｍ２あたりのパワー密度として０．４１～４．１９Ｗ／ｃｍ２の範囲内とすることが好ましい。マイクロ波出力は、例えば５００～５０００Ｗ程度の範囲内から目的に応じて上記範囲内のパワー密度となるように選択することができる。
　平面アンテナ板３１から透過板２８を経て処理容器１に放射されたマイクロ波により、処理容器１内で電磁界が形成され、例えば、窒化処理する場合、不活性ガスおよび窒素含有ガスがそれぞれプラズマ化する。このマイクロ波により励起されたプラズマは、マイクロ波が平面アンテナ板３１の多数のマイクロ波放射孔３２から放射されることにより、１０９／ｃｍ３～１０１３／ｃｍ３の高密度で、かつウエハＷ近傍では、略２ｅＶ以下の低電子温度のプラズマとなる。このようにして形成される高密度プラズマは、下地膜へのイオン等によるプラズマダメージが少ないものである。そして、プラズマ中の活性種例えばラジカルやイオンの作用によりウエハＷのシリコン表面が窒化されてシリコン窒化膜ＳｉＮの薄膜が形成される。なお、窒素含有ガスに代えて酸素含有ガスを用いることにより、シリコンの酸化処理が可能であり、また、成膜原料ガスを用いることによりプラズマＣＶＤ法による成膜を行うことも可能であり、エッチングガスを用いてエッチング処理することも可能である。
　プロセスコントローラ５１からプラズマ処理を終了させる制御信号が送出されると、電磁波発生装置３９のパワーがオフ（切）にされ、プラズマ処理が終了する。次に、ガス供給装置１８からの処理ガスの供給を停止して処理容器内を真空引きする。そして、ウエハＷを処理容器１内から搬出し、１枚のウエハＷに対するプラズマ処理が終了する。
　以上のように、本実施の形態のプラズマ処理装置１００では、誘電体により構成される遅波板３３を、平面アンテナ板３１とカバー部材３４との間の領域の誘電率が、平面アンテナ板３１の上面と平行な断面において径方向及び／又は周方向に変化するように構成したので、マイクロ波の波長を制御して、平面アンテナ板３１を交換しなくとも処理容器１内におけるプラズマ分布を制御することができる。従って、処理容器１内で所望の分布でプラズマを安定的に維持することができる。また、ウエハＷの大型化に対応して処理容器１を大型化させた場合でも、遅波板３３の構成を変えることによって、処理容器１内で生成するプラズマ分布を簡単に調節できる。
［第２の実施の形態］
 　次に、図１１から図１３を参照しながら、本発明の第２の実施の形態に係るプラズマ処理装置について説明する。本実施の形態のプラズマ処理装置は、遅波板３３の構成が異なる点以外は、第１の実施の形態のプラズマ処理装置１００（図１）と同じであるため、全体の説明は省略し、遅波板３３の構成についてのみ説明を行う。図１１は、第２の実施の形態に係る遅波板３３の平面図である。遅波板３３は、内側に配置される小径部材１０１と、小径部材１０１を囲む大径部材１０３と、小径部材１０１と大径部材１０３との間に介在配置された複数（図１１では８個）の着脱自在なピース１０７を有している。ピース１０７は、いずれも誘電体から構成されている。ピース１０７は、小径部材１０１及び大径部材１０３と同じ材質でもよいし、異なる材質でもよい。また、ピース１０７毎に異なる材質を用いることも可能である。
　本実施の形態において、ピース１０７は遅波板３３に着脱自在に構成されており、一つないし複数のピース１０７を装着したり、取り外したりすることができる。図１１では、一つのピース１０７を外した状態を示している。ピース１０７を取り外した場合、その部分は空気層（エアギャップＡＧ）となる。従って、ピース１０７の装着個数、配置を変化させることによって、平面アンテナ板３１とカバー部材３４との間の領域の誘電率の分布を簡単に変化させることができる。つまり、当該領域における誘電率が、平面アンテナ板３１の上面と平行な断面において径方向及び周方向に様々なパターンで非均一になるように変化させることができる。
　図１１では、ピース１０７を小径部材１０１及び／又は大径部材１０３に接触させて配置しているが、離間させてもよい。ピース１０７を小径部材１０１及び／又は大径部材１０３に接触させる場合は、小径部材１０１及び／又は大径部材１０３との熱膨張係数が同程度の材質を選択することが好ましい。ピース１０７を小径部材１０１及び／ 又は大径部材１０３と離間させた場合は、離間部分に空気層（エアギャップＡＧ；図示省略）が介在することになる。
　図１２に、図１１に示した遅波板３３の変形例として、小径部材１０１と、着脱可能な複数のピース１０７Ａ（図１２では８個）とを組み合わせた態様を示した。この遅波板３３では、小径部材１０１を囲むように、その周囲にピース１０７Ａが配置されている。ピース１０７Ａは、いずれも誘電体から構成されている。ピース１０７Ａは、小径部材１０１と同じ材質でもよいし、異なる材質でもよい。また、ピース１０７Ａ毎に異なる材質を用いることも可能である。
　図１２に示したように、ピース１０７Ａは、アーム６０を使用して着脱可能に構成されており、一つないし複数のピース１０７Ａを装着したり、取り外したりすることができる。ピース１０７Ａを取り外した場合、その部分は空気層（エアギャップＡＧ）となる。従って、ピース１０７Ａの装着個数、配置を変化させることによって、平面アンテナ板３１とカバー部材３４との間の領域の誘電率の分布を簡単に変化させることができる。つまり、当該領域における誘電率が、平面アンテナ板３１の上面と平行な断面において径方向及び周方向に様々なパターンで非均一になるように変化させることができる。
　図１２では、ピース１０７Ａを小径部材１０１に接触させて配置しているが、離間させてもよい。ピース１０７Ａを小径部材１０１に接触させる場合は、小径部材１０１との熱膨張係数が同程度の材質を選択することが好ましい。ピース１０７Ａを小径部材１０１と離間させた場合は、そこに空気層（エアギャップＡＧ；図示省略）が介在することになる。また、隣接するピース１０７Ａどうしも、接触させても離間させてもよく、接触させる場合は、熱膨張係数が同程度の材質を選択することが好ましい。ピース１０７Ａどうしを離間させた場合は、そこに空気層（エアギャップＡＧ；図示省略）が介在することになる。
　図１３は、本実施の形態のさらなる変形例を示しており、ベース板１１１と、このベース板１１１に組み合わせて配置される着脱可能な平面矩形の複数のピース１１３とを有している。ベース板１１１とピース１１３は、いずれも誘電体から構成されている。ピース１１３は、ベース板１１１と同じ材質でもよいし、異なる材質でもよい。また、ピース１１３毎に異なる材質を用いることも可能である。
　ベース板１１１には、複数の切り欠き部１１１ａが設けられており、この切り欠き部１１１ａにピース１１３を嵌め込んだり、外したりすることによって、平面アンテナ板３１とカバー部材３４との間の領域の誘電率の分布を簡単に変化させることができる。ベース板１１１とピース１１３とを組み合わせていない状態では、切り欠き部１１１ａに空気層（エアギャップＡＧ）が形成されるので、平面アンテナ板３１の上面と平行な断面において径方向及び周方向に誘電率が非均一になる。ベース板１１１の切り欠き部１１１ａにピース１１３を挿入して組み合わせた場合は、ベース板１１１とピース１１３とが同じ材質であれば、平面アンテナ板３１の上面と平行な断面において誘電率が非均一な状態は解消され、ベース板１１１とピース１１３とが異なる材質であれば、平面アンテナ板３１の上面と平行な断面において径方向及び周方向に誘電率が非均一となり、誘電率の分布が生じる。
　本実施の形態における他の構成及び効果は、第１の実施の形態と同様である。
［第３の実施の形態］
　次に、図１４から図１６を参照しながら、本発明の第３の実施の形態に係るプラズマ処理装置について説明する。本実施の形態のプラズマ処理装置は、遅波板３３の構成が異なる点以外は、第１の実施の形態のプラズマ処理装置１００（図１）と同じであるため、全体の説明は省略し、遅波板３３の構成についてのみ説明を行う。図１４は、第３の実施の形態に用いる遅波板３３の外観構成を示す斜視図であり、図１５は、遅波板３３を取り付けた状態を示すプラズマ処理装置の要部断面図である。遅波板３３は、平面アンテナ板３１と略同程度の面積の平板である円盤部材１１５と、該円盤部材１１５の上に重ねて配置されたリング状部材１１７と、を有している。リング状部材１１７は、円盤部材１１５よりも小面積に形成されている。円盤部材１１５ とリング状部材１１７ は、いずれも誘電体から構成されている。円盤部材１１５ とリング状部材１１７ とは、同じ材質でもよいし、異なる材質でもよい。
　本実施の形態では、円盤部材１１５と組み合わせてリング状部材１１７を配置することによって、平面アンテナ板３１とカバー部材３４との間の領域の誘電率の分布を簡単に変化させることができる。つまり、円盤部材１１５の直上の領域は、所定の誘電率を持つリング状部材１１７が存在する部分以外は、空気層（エアギャップＡＧ）となるため、誘電率が平面アンテナ板３１の上面と平行な断面において非均一となっている。
　また、リング状部材１１７ は、円盤部材１１５ 上でアーム６０ により配置を変更できるように可動式に構成されている。リング状部材１１７ の配置を変更することによって、エアギャップＡＧの形状が変化するので、平面アンテナ板３１ とカバー部材３４ との間の領域の誘電率の分布を、平面アンテナ板３１ の上面と平行な断面において簡単に変化させることができる。
　次に、本実施の形態における遅波板３３の変形例について図１６を参照しながら説明する。図１６は、遅波板３３を取り付けた状態を示すプラズマ処理装置１００の要部断面図である。この変形例では、リング状部材１１７を平面アンテナ板３１の上面に接触させて配置し、その上に、円盤部材１１５を重ねて配置した。この場合、リング状部材１１５は可動式とはせずに、例えば同軸導波管３７ａの中心を通る内導体４１に固定されている。本実施の形態では、リング状部材１１７を円盤部材１１５と平面アンテナ板３１との間に介在配置させることによって、平面アンテナ板３１とカバー部材３４との間の領域の誘電率を平面アンテナ板３１の上面と平行な断面において非均一にすることができる。つまり、円盤部材１１５の直下の領域は、所定の誘電率を持つリング状部材１１７が存在する部分以外は、空気層（エアギャップＡＧ）となるため、平面アンテナ板３１の上面と平行な断面において誘電率の分布が生じている。
　本実施の形態における他の構成及び効果は、第１の実施の形態と同様である。
［第４の実施の形態］
　次に、図１７及び図１８を参照しながら、本発明の第４の実施の形態に係るプラズマ処理装置について説明する。本実施の形態のプラズマ処理装置は、遅波板３３の構成が異なる点以外は、第１の実施の形態のプラズマ処理装置１００（図１）と同じであるため、全体の説明は省略し、遅波板３３の構成についてのみ説明を行う。図１７は、第４の実施の形態に用いる遅波板３３を取り付けた状態を示すプラズマ処理装置の要部断面図である。本実施の形態の遅波板３３は、ベース板１１９と、このベース板１１９に部分的に形成された凹部、すなわち溝１２１とを有している。つまり、ベース板１１９の上面（平面アンテナ板３１に接する面とは反対側）には、部分的に一つないし複数の溝１２１が形成されている。溝１２１の配設位置や形状、深さや大きさなどは特に限定されるものではなく、例えば同軸導波管３７ａを囲むように環状に設けてもよいし、ベース板１１９の面内に複数の溝１２１が点在するように設けてもよい。
　本実施の形態では、ベース板１１９の上面に溝１２１を設けたことによって、平面アンテナ板３１とカバー部材３４との間の領域の誘電率を平面アンテナ板３１の上面と平行な断面において細かく区分することができる。つまり、溝１２１ の部分は空気層（エアギャップＡＧ）となるため、所定の誘電率を持つベース板１１９との間で誘電率の差異が生じる。従って、平面アンテナ板３１とカバー部材３４との間の領域の誘電率を平面アンテナ板３１の上面と平行な断面において非均一な状態にすることができる。なお、同様な効果を得るために、図１８に示すようにベース板１１９の下面（平面アンテナ板３１に接する面）に部分的に溝１２１を設けてもよく、さらに図示は省略するが、ベース板１１９の上下両面に部分的に溝１２１を設けてもよい。
　本実施の形態における他の構成及び効果は、第１の実施の形態と同様である。
［第５の実施の形態］
　次に、図１９及び図２０を参照しながら、本発明の第５の実施の形態に係るプラズマ処理装置について説明する。本実施の形態のプラズマ処理装置は、遅波板３３の構成が異なる点以外は、第１の実施の形態のプラズマ処理装置１００（図１）と同じであるため、全体の説明は省略し、遅波板３３の構成についてのみ説明を行う。図１９及び図２０は、本実施の形態に係る遅波板３３の平面図である。本実施の形態の遅波板３３は、単体のベース板１２３と、その厚み方向に貫通する一つ又は複数（図１９では９つ、図２０では１つ）の貫通開口１２５を有している。ベース板１２３における貫通開口１２５形状や大きさ、配設位置は任意であり、特に限定されるものではないが、例えば同軸導波管３７ａを囲むように螺旋状、環状、半円状、円弧状等に設けることが好ましい。
　本実施の形態では、ベース板１２３に貫通開口１２５を設けたことによって、平面アンテナ板３１とカバー部材３４との間の領域の誘電率を平面アンテナ板３１の上面と平行な断面において細かく区分することができる。つまり、貫通開口１２５の部分は空気層（エアギャップＡＧ）となるため、所定の誘電率を持つベース板１２３との間で誘電率の差異が生じ、誘電率を平面アンテナ板３１ の上面と平行な断面において非均一にすることができる。
　また、本実施の形態の遅波板３３では、ベース板１２３に貫通開口１２５を非均等に配設したので、例えばベース板１２３の装着位置を図１９及び図２０中に矢印で示すように任意の角度で回転させることによって、平面アンテナ板３１とカバー部材３４との間の領域の誘電率の分布を簡単に変化させることができる。
　本実施の形態における他の構成及び効果は、第１の実施の形態と同様である。
　次に、図１に示したプラズマ処理装置１００と同様の構成のプラズマ処理装置を用い、遅波板３３の構造が、処理容器１内へのマイクロ波パワーの導入効率に与える影響について有限要素法による３次元シミュレーションにより検証した。シミュレーションでは、ソフトウエアとしてＣＯＭＳＯＬ（商品名；ＣＯＭＳＯＬ社製）を用い、下記の３種類の遅波板を装着した場合について透過板２８の直下における電界強度及びその分布を計算した。遅波板３３の材質はいずれも石英とした。
　遅波板Ａ（本発明例）：　図３～図５に示したものと同様の二重リング構造の遅波板において、中心から小径部材１０１の外周部までの径方向の距離を約１６０ｍｍに設定し、エアギャップＡＧの幅を１０ｍｍ、２０ｍｍ、３０ｍｍ、４０ｍｍ、５０ｍｍ、６０ｍｍ、７２．５ｍｍ それぞれ設定した。
　遅波板Ｂ（本発明例）：　図３～図５に示したものと同様の二重リング構造の遅波板において、中心から小径部材１０１の外周部までの径方向の距離を約１９５ｍｍに設定し、エアギャップＡＧの幅を１０ｍｍ、２０ｍｍ、３０ｍｍ、３８．５ｍｍにそれぞれ設定した。
　遅波板Ｓ（比較例）：　単体の円板状とした。
　シミュレーション実験の結果を表１及び図２１に示した。なお、図２１は透過板２８の直下における電界強度分布を白黒で示しており、大まかな傾向として、白い領域は電界強度が強く、黒い領域は電界強度が弱いことを示している。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　表１に示した遅波板Ａ、Ｂの結果から、エアギャップＡＧの配置及び幅Ｌを変化させることにより、処理容器１内の電界強度を大きく変えることが可能であった。また、図２１に示すように、エアギャップＡＧの配置及び幅Ｌを変化させることにより、処理容器１内の電界分布も大きく変化させることが可能であった。例えば、遅波板Ａにおいて、エアギャップＡＧの幅Ｌが３０ｍｍでは電界分布が透過板２８の周縁部の直下で強くなり、幅Ｌが４０ｍｍでは電界分布が透過板２８の中央部の直下で強くなるなど、エアギャップＡＧの幅Ｌに依存して電界分布が変化する傾向が把握された。従って、例えば図７及び図８で示したような遅波板３３の構成（偏心配置）により、処理容器１内で局所的に電界分布が弱い部分のみ電界を強くするなど、電界分布の偏りを積極的に是正する制御が可能であると考えられる。
　次に、図１に示したプラズマ処理装置１００と同様の構成のプラズマ処理装置を用いてシリコンウエハに対してプラズマ窒化処理を行った。遅波板３３として、図３～ 図５に示したものと同様の二重リング構造の遅波板を用いた。エアギャップＡＧの幅は３０ｍｍ又は４０ｍｍとした。プロセス条件は以下の通りである。
［プロセス条件］
　Ｎ２ガス／Ａｒガスの体積流量比：２０％、
　流量：２００ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）、
　プロセス圧力：２０Ｐａ、
　マイクロ波出力：１５００Ｗ、
　載置台温度：５００℃、
　処理時間：９０秒
　成膜された窒化珪素膜のウエハ面内の膜厚分布をエリプソメーターで測定することにより、ウエハ面内でのプラズマ窒化処理の均一性を評価した。その結果を表２に示した。また、図２２に、シミュレーション実験における透過板２８の直下における電界強度分布を白黒で示した。図２２では、大まかな傾向として、白い領域は電界強度が強く、黒い領域は電界強度が弱いことを示している。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
　この実験結果から、遅波板３３のエアギャップＡＧの幅Ｌを変えることによって、窒化珪素膜の膜厚の面内分布が変化することが確認された。従って、本発明の遅波板３３を用い、プロセス条件に合わせてその形状と配置を変えることにより、ウエハＷの面内での処理の均一性を改善できる可能性が示された。
　以上、本発明の実施形態を述べたが、本発明は上記実施形態に制約されることはなく、種々の変形が可能である。例えば、本発明のプラズマ処理装置１００は、プラズマ窒化処理装置以外にも、例えばプラズマ酸化処理装置やプラズマＣＶＤ処理装置、プラズマエッチング処理装置、プラズマアッシング処理装置などに適用できる。さらに、本発明の平面アンテナ板３１を備えたプラズマ処理装置１００は、被処理体として半導体ウエハを処理する場合に限らず、例えば液晶ディスプレイ装置や有機ＥＬディスプレイ装置などのフラットパネルディスプレイ装置用あるいは太陽電池パネルの基板を被処理体とするプラズマ処理装置にも適用できる。
　１…処理容器、２…載置台、３…支持部材、１２…排気管、１５…ガス導入部、１８…ガス供給装置、２４…排気装置、２７…マイクロ波導入機構、２８…透過板、２９…シール部材、３１…平面アンテナ板、３２…マイクロ波放射孔、３３…遅波板、３７…導波管、３７ａ…同軸導波管、３７ｂ…矩形導波管、３９…電磁波発生装置、５０…制御部、５１…プロセスコントローラ、５２…ユーザーインターフェース、５３…記憶部、１００…プラズマ処理装置、１０１…小径部材、１０３…大径部材、１０５…開口部、ＡＧ…エアギャップ、Ｗ…半導体ウエハ（基板）

Claims (12)

  1. 被処理体に対してプラズマ処理するプラズマ処理装置であって、
    被処理体を収容する真空引き可能な処理容器と、
    電磁波発生装置で発生した電磁波を前記処理容器内に導入する平面アンテナ部材と、
    前記電磁波を前記平面アンテナ部材へ供給する導波管と、
    前記平面アンテナ部材の上に重ねて設けられ、前記導波管から供給された前記電磁波の波長を変化させる遅波板と、
    前記遅波板及び前記平面アンテナ部材を上方から覆うカバー部材と、を備え、
    前記遅波板は、誘電体によって構成されるとともに、前記平面アンテナ部材と前記カバー部材との間の領域の誘電率が、前記平面アンテナ部材の上面と平行な断面において、非均一である。
  2. 請求項１に記載のプラズマ処理装置において、
    前記遅波板が、誘電率が同じ又は異なる複数の部材を組み合わせて形成されている。
  3. 請求項２に記載のプラズマ処理装置において、
    前記複数の部材の間に空気層が介在している。
  4. 請求項２に記載のプラズマ処理装置において、
    前記複数の部材の一部が取り外し可能である。
  5. 請求項２に記載のプラズマ処理装置において、
    前記複数の部材の配置位置が可変である。
  6. 請求項１に記載のプラズマ処理装置において、
    前記遅波板が、第１の部材と、該第１の部材よりも大きな第２の部材と、を含み、
    前記第１の部材の周囲に前記第２の部材が配置され、前記第１の部材と前記第２の部材との間に空気層が介在している。
  7. 請求項１に記載のプラズマ処理装置において、
    前記遅波板が、第１の部材と、該第１の部材よりも大きな第２の部材と、を含み、
    前記第１の部材と前記第２の部材がこれらの厚み方向に重ねて配置されている。
  8. 請求項７に記載のプラズマ処理装置において、
    前記第１
    の部材が前記平面アンテナ部材に接触して配置され、前記第２の部材が前記第１の部材上に重ねて配置されている。
  9. 請求項７に記載のプラズマ処理装置において、
    前記第２の部材が前記平面アンテナ部材に接触して配置され、前記第１の部材が前記第２の部材上に重ねて配置されている。
  10. 請求項１に記載のプラズマ処理装置において、
    前記遅波板が平板形状をなし、その厚み方向に複数の凹部を有しており、該凹部に空気層が介在している。
  11. 請求項１に記載のプラズマ処理装置において、
    前記遅波板が平板形状をなし、その厚み方向に複数の貫通開口部を有しており、該貫通開口部に空気層が介在している。
  12. プラズマ処理装置の平面アンテナ部材の上に重ねて設けられ、導波管から供給された電磁波の波長を変化させる遅波板であって、
    前記遅波板は、誘電体によって構成されるとともに、
    前記平面アンテナ部材と、前記平面アンテナ部材を上方から覆うカバー部材との間の領域の前記遅波板の誘電率が、前記平面アンテナ部材の上面と平行な断面において、非均一である。
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