WO2015029090A1 - プラズマ処理装置およびプラズマ処理方法 - Google Patents

プラズマ処理装置およびプラズマ処理方法 Download PDF

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plasma
gas
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平山　昌樹
大見　忠弘
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国立大学法人東北大学
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    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C16/00—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes
    • C23C16/44—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the method of coating
    • C23C16/50—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the method of coating using electric discharges
    • C23C16/511—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the method of coating using electric discharges using microwave discharges
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J37/00—Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
    • H01J37/32—Gas-filled discharge tubes
    • H01J37/32009—Arrangements for generation of plasma specially adapted for examination or treatment of objects, e.g. plasma sources
    • H01J37/32192—Microwave generated discharge
    • H01J37/32211—Means for coupling power to the plasma
    • H01J37/32229—Waveguides
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    • H01J37/32—Gas-filled discharge tubes
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    • H01J37/32192—Microwave generated discharge
    • H01J37/32211—Means for coupling power to the plasma
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    • H01J37/32—Gas-filled discharge tubes
    • H01J37/32431—Constructional details of the reactor
    • H01J37/3244—Gas supply means

Definitions

  • the present invention relates to a plasma processing apparatus and a plasma processing method for performing plasma processing on a substrate.
  • a device in a manufacturing process of an LCD device or the like, a device is used that generates plasma in a processing chamber using microwaves and performs a CVD process or an etching process on the LCD substrate.
  • a plasma processing apparatus one in which a plurality of waveguides are arranged in parallel above a processing chamber is known (for example, see Patent Documents 1 and 2).
  • a plurality of slots are opened side by side on the lower surface of the waveguide, and a flat dielectric is provided along the lower surface of the waveguide.
  • the microwave is propagated through the slot to the surface of the dielectric, and a predetermined gas (a rare gas for plasma excitation and / or a gas for plasma processing) supplied into the processing chamber is caused by microwave energy (electromagnetic field). It is configured to be turned into plasma.
  • a predetermined gas a rare gas for plasma excitation and / or a gas for plasma processing
  • microwave energy electromagagnetic field
  • JP 2004-200366 A Japanese Patent Laid-Open No. 2004-152876
  • the processing apparatus is also increasing, and in particular, it is difficult to manufacture a large dielectric and the manufacturing cost is increasing.
  • the support member that supports the dielectric must also have a strong structure.
  • plasma generated in the processing chamber tends to be non-uniform. That is, the support member that has been increased in size obstructs the formation of a uniform electromagnetic field over the entire upper part of the substrate, and the area of the dielectric itself is large.
  • An object of the present invention is to provide a plasma processing apparatus and a plasma processing method capable of generating uniform plasma on a large-sized substrate.
  • the plasma processing apparatus of the present invention a plurality of dielectrics having a lower surface disposed on a common plane, A plurality of waveguides for propagating microwaves through openings in each of the plurality of dielectrics; A plurality of electrically independent microwave supply units for supplying microwaves to the plurality of waveguides, Each of the plurality of dielectrics includes a plurality of gas discharge holes for discharging a gas to be plasmad from the lower surface,
  • the plurality of dielectrics include a first dielectric row made of the derivatives arranged in a first direction, and the dielectrics made of the derivatives arranged in the first direction and orthogonal to the first direction. Forming a second derivative row arranged adjacent to the first derivative row in two directions, The dielectric forming one of the first and second dielectric rows is arranged to be biased in the first direction with respect to the dielectric forming the other.
  • the plasma processing method of the present invention includes a plurality of dielectrics having lower surfaces arranged on a common plane, A plurality of waveguides for propagating microwaves through openings in each of the plurality of dielectrics; A plurality of electrically independent microwave supply units for supplying microwaves to the plurality of waveguides, Each of the plurality of dielectrics includes a plurality of gas discharge holes for discharging a gas to be plasmad from the lower surface,
  • the plurality of dielectrics include a first dielectric row made of the derivatives arranged in a first direction, and the dielectrics made of the derivatives arranged in the first direction and orthogonal to the first direction.
  • Forming a second derivative row arranged adjacent to the first derivative row in two directions The dielectric forming one of the first and second dielectric rows is disposed in a biased manner in the first direction with respect to the dielectric forming the other, and a plasma generation mechanism is provided inside. Placing the object to be processed so as to face the lower surfaces of the first and second derivative rows in the container, Propagating microwaves having the same phase and the same intensity from the plurality of microwave supply units to the plurality of dielectrics through the plurality of waveguides; And converting the gas discharged from the plurality of gas discharge holes into plasma by the plasma generation mechanism.
  • a surface wave is generated in a plurality of dielectric bodies by biasing a dielectric constituting one of the first and second dielectric rows adjacent to each other in the first direction.
  • the formation of a standing wave due to the propagation of is suppressed, and as a result, the plasma can be made uniform among a plurality of dielectrics.
  • the intensity of the microwave propagated through each opening varies depending on the dielectric depending on the phase and intensity of the standing wave at the position of each opening. In order to propagate microwaves in the same phase and the same intensity to multiple dielectrics, it is possible to make plasma uniform among multiple dielectrics by supplying microwaves independently to multiple waveguides. It becomes.
  • FIG. 4B is a cross-sectional view taken along the line IVB-IVB in FIG. 4A.
  • FIG. 4B is a cross-sectional view taken along the line IVC-IVCB in FIG. 4B.
  • the graph which shows the relationship between the diameter of a gas hole, the density of a gas hole, and the pressure of a gas flow path.
  • the plasma processing apparatus (hereinafter referred to as apparatus 1) is used for various plasma processes such as plasma CVD (Chemical Vapor Deposition) as shown in FIG.
  • the apparatus 1 includes a metal processing chamber 200 defining a sealed space 201, a stage 220 for placing a substrate such as a silicon wafer formed from aluminum nitride or the like installed in the processing chamber 200, and an upper part of the stage 220.
  • shower plate 10 made of a plasma forming dielectric provided on the plurality of display plates, a plurality of connecting dielectrics 20 provided on each shower plate 10, and a plurality of waveguides 50 provided on the upper lid 202 of the processing chamber 200.
  • a plurality of microwave supply units 70 for supplying microwaves to the plurality of waveguides 50, respectively.
  • the processing chamber 200 is made of a conductive material such as aluminum alloy or stainless steel, and is connected to a reference potential.
  • An exhaust port 205 for exhausting the atmosphere in the processing chamber 200 is provided at the bottom of the processing chamber 200, and an exhaust device such as a vacuum pump (not shown) installed outside the processing chamber 200 is connected to the exhaust port 205. Is done. With this exhaust device, the sealed space 201 is depressurized.
  • the shower plate 10 is made of a dielectric material such as aluminum oxide or quartz. Each shower plate 10 has a rectangular outer shape with the same dimensions, and as shown in FIG. 2, a fixing member formed of a conductive material such as an aluminum alloy provided in a ladder shape on the lower surface of the upper lid 210. 30 is fixed to the lower surface of the upper lid 210. The structure and arrangement of the shower plate 10 will be described later.
  • the upper lid 210 is formed in a plate shape from a conductive material such as aluminum alloy or stainless steel, and a gas flow path 215 connected to the shower plate 10 from the upper surface through the inside is formed.
  • a gas supply device (not shown) for supplying a gas G such as SiH 4 , N 2 , O 2 , N 2 O and the like to be converted into plasma from a gas supply device (not shown) is connected to the gas flow path 215, Gas supply amount and pressure are adjusted.
  • An O-ring 250 is provided around the connecting portion between the gas flow path 215 of the upper lid 210 and the shower plate 10 so that gas does not leak.
  • the upper lid 210 and the upper end of the processing chamber 200 are sealed with an O-ring 252.
  • the upper lid 210 is formed with a plurality of slots 211 as openings that define a part of the waveguide WG for propagating microwaves to the shower plate 10.
  • An O-ring 251 is provided around the slot 211 between the lower surface of the upper lid 210 and the upper surface of the shower plate 10 to seal the slot 211.
  • the waveguide 50 is made of a conductive material such as an aluminum alloy or copper, has a rectangular cross section, has a lower end opened, and an upper end closed.
  • the waveguide 50 is fixed on the upper lid 201 and extends in a direction perpendicular to the upper surface of the upper lid 210.
  • the connecting dielectric 20 is made of a dielectric material such as a fluorocarbon resin such as aluminum oxide, quartz, or Teflon (registered trademark), and is formed so as to be fitted into the slot 211 to fill the slot 211.
  • the lower end surface of the connecting dielectric 20 is in contact with the upper surface of the shower plate 10.
  • the upper portion of the connecting dielectric 20 is tapered and extends into the waveguide WG defined by the waveguide 50.
  • the microwave is propagated to the shower plate 10 through the slot 211, but if the inside of the slot 211 is hollow, the microwave is reflected and may not be efficiently propagated to the shower plate 10. For this reason, in this embodiment, by providing the connecting dielectric 20 in the slot 211, it is possible to efficiently propagate the microwave to the shower plate 10 while suppressing the reflection of the microwave.
  • one end of a coaxial tube 60 is connected to one side surface of the waveguide 50 in the longitudinal direction, and the other end of the coaxial tube 60 is supplied with microwaves. It is connected to the unit 70.
  • the tip of the inner conductor 62 of the coaxial tube 60 protrudes into the waveguide 50.
  • the plurality of microwave supply units 70 respectively include a microwave power source and a matching unit (not shown), are provided for the plurality of waveguides 50, and are electrically independent from each other. Although a microwave having a frequency of about 300 MHz to 6000 MHz can be used, in this embodiment, each microwave supply unit 70 is configured to supply a microwave of 2450 MHz. As shown in FIG.
  • a solid state type is used for the microwave power source of the microwave supply unit 70.
  • a high frequency generated by a crystal oscillator is increased by a multiplier circuit to generate a microwave signal of a desired frequency, and this is amplified by a several stage transistor amplifier circuit to obtain a desired power of the microwave. Outputs waves.
  • the plurality of microwave power sources are synchronized with each other.
  • the crystal oscillator and the multiplier circuit are shared by the plurality of microwave power sources. That is, a set of crystal oscillators and a multiplier circuit are prepared, and the output is branched and input to a plurality of amplifier circuits. At this time, the electrical lengths of the cables connecting the branch and the amplifier circuit are made equal.
  • the shower plate 10 is made of a dielectric material such as aluminum oxide and is formed in a plate shape having a rectangular outer shape, and is opposed to the flat plate-like upper plate portion 12. It has the flat lower plate part 13 arrange
  • FIG. The upper surface 12 f of the upper plate portion 12 is configured by a plane, and is installed on the lower surface 210 f that is a plane of the upper lid 210.
  • the upper plate portion 12 Since the upper plate portion 12 is thin and low in strength, it is supported by a plurality of columnar support portions 15 provided between the upper plate portion 12 and the lower plate portion 13 as shown in FIG. 4C and the like. ing. As shown in FIG. 4C, a gas introduction hole 16 is formed in the upper plate portion 12. The gas introduction hole 16 is connected to the outlet of the gas flow path 215 of the upper lid 210, and the gas G is supplied into the gas flow path 14 through the gas flow path 215. As shown in FIG. 4A, a large number of gas discharge holes 11 are formed in the lower plate portion 13 with a substantially uniform density. Note that the gas discharge hole 11 is not formed near a region where the support portion 15 is present. In this embodiment, the dimensions of the gas discharge holes 11 are, for example, a diameter of 0.5 mm and a depth of 4 mm, and about 2200 pieces are provided in one shower plate 100.
  • the plurality of shower plates 10 configured as described above have the same structure and the same dimensions, and are fixed to the lower surface 210f of the upper lid 210 by the fixing member 30, as shown in FIG.
  • the plurality of shower plates 10 form a first shower plate row 10 ⁇ / b> A composed of shower plates 10 in which four shower plates 10 are arranged at equal intervals in the x-axis direction via a fixing member 30.
  • the plurality of shower plates 10 are composed of the shower plates 10 arranged at equal intervals in the x-axis direction via the fixing members 30 and are arranged on the first shower plate row 10A in the y-axis direction orthogonal to the x-axis direction.
  • a second shower plate row 10B arranged side by side is formed.
  • the first shower plate row 10A and the second shower plate row 10B are alternately formed in the y-axis direction.
  • columns is biased in the y-axis direction. This amount of bias is not limited to this, but is preferably approximately half the width of the shower plate 10 in the y-axis direction.
  • the significance of shifting the position of the shower plate 10 between adjacent shower plate rows will be described.
  • the shower plate 10 that is a dielectric a standing wave is formed by the propagation of the surface wave, and the plasma is uneven.
  • the shower plates 10 are arranged in a grid pattern, the distribution of plasma around the substrate to be plasma-treated tends to be non-uniform due to unevenness of plasma in the dielectric.
  • the plasma distribution around the substrate can be made more uniform.
  • the plasma density is not uniform within the lower surface of the lower plate portion 13 of the shower plate 10 that is a dielectric, and usually has a non-uniform distribution with a high plasma density at the center of the shower plate 10.
  • P the arrangement pitch of the shower plates 10 arranged vertically and horizontally.
  • the plasma is not uniform in the vicinity of the shower plate 10, it is uniformed to some extent while diffusing up to the substrate to be processed between plus.
  • the shower plates 10 are arranged while being shifted by half, the distance between the high plasma density portion and the low plasma density portion is shorter, so that the plasma distribution around the substrate can be made more uniform.
  • the microwave supply unit 70 including a matching unit and a microwave power source for each slot 211 (waveguide WG), even if the plasma (load) conditions change, It is possible to always propagate microwaves having the same intensity and the same phase from all the slits 211 to the shower plate 10. As a result, the plasma distribution among the plurality of shower plates 10 can be made more uniform.
  • the gas discharge holes of the shower plate In order to improve the uniformity of the plasma distribution, it is necessary to promote the generation of radicals while suppressing the occurrence of discharge in the gas flow path. Dimensions and aperture ratio are important. In order to suppress the occurrence of discharge in the gas flow path 14, it is desirable that the pressure of the gas flow path be as high as possible, for example, 300 Torr or higher. On the other hand, in order to promote the generation of radicals, it is desirable to make the gas blowing flow rate from the gas discharge hole 11 as slow as possible, for example, 1 m / second or less.
  • the diameter of the gas discharge hole 11, the density (1) of the gas discharge hole 11, and the pressure (2) of the gas flow path 14 have a relationship as shown in the graph of FIG.
  • the length of the gas discharge hole 11 is 4 mm
  • the diameter of the gas discharge hole 11 is 40 nm
  • the aperture ratio is 0.127.
  • about 1.2 trillion gas discharge holes 11 may be formed.
  • Plasma processing equipment 10
  • Shower plate (dielectric) 11
  • Gas discharge hole 20
  • Connection dielectric 30
  • Fixing member 50
  • Waveguide 60
  • Coaxial tube 70
  • Microwave supply unit 211 Slot G Gas

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Abstract

　大型化した基板に対して、均一なプラズマを発生させることができるプラズマ処理装置を提供する。共通の平面上に配置される下面を有する複数の誘電体（１０）と、複数の誘電体の各々に開口部を通じてマイクロ波を伝搬させる複数の導波路（ＷＧ）と、複数の導波路へマイクロ波をそれぞれ供給する電気的に互いに独立した複数のマイクロ波供給ユニット（７０）とを有し、複数の誘電体の各々は、ガスを下面から放出するための複数のガス放出孔（１１）をそれぞれ備え、複数の誘電体は、第１の方向（ｘ）に配列された誘導体からなる第１の誘電体列と、第１の方向に配列された誘導体からなるとともに第２の方向（ｙ）において第１の誘導体列に隣り合わせに配置された第２の誘導体列と、を形成し、第１および第２の誘電体列の一方を形成する誘電体（１０）は、他方を形成する誘電体（１０）に対して、第１の方向において、偏倚して配置されている。

Description

プラズマ処理装置およびプラズマ処理方法
　本発明は、基板にプラズマ処理を施すプラズマ処理装置およびプラズマ処理方法に関する。
　例えばＬＣＤ装置などの製造工程においては，マイクロ波を利用して処理室内にプラズマを発生させ，ＬＣＤ基板に対してＣＶＤ処理やエッチング処理等を施す装置が用いられている。かかるプラズマ処理装置として，処理室の上方に複数本の導波管を平行に並べたものが知られている（例えば、特許文献１，２参照）。この導波管の下面には複数のスロットが並べて開口され、さらに，導波管の下面に沿って平板状の誘電体が設けられる。そして，スロットを通じて誘電体の表面にマイクロ波を伝播させ、処理室内に供給された所定のガス（プラズマ励起用の希ガスおよび／またはプラズマ処理用のガス）をマイクロ波のエネルギ（電磁界）によってプラズマ化させる構成となっている。例えばＬＣＤ装置などの製造工程においては、マイクロ波を利用して処理室内にプラズマを発生させ、ＬＣＤ基板に対してＣＶＤ処理やエッチング処理等を施す装置が用いられている。
特開２００４－２００６４６号公報 特開２００４－１５２８７６号公報
　基板などの大型化に伴って処理装置も大きくなってきており、特に大型化した誘電体の製造が困難で製造コストが高くなってきている。また誘電体が大きく重くなると、それを支持する支持部材も強固な構造にしなければならないが、そうすると、処理室内に発生するプラズマが不均一になりやすいという問題がある。即ち、大型化した支持部材が邪魔となって、基板の上方全体に均一な電磁界が形成されることが阻害され、また、誘電体自体の面積が大きいため、処理ガスの種類や処理室内の圧力などといった各種条件によっては、誘電体の表面全体にマイクロ波を均一に伝播させることが困難な場合がある。
　本発明の目的は、大型化した基板に対して、均一なプラズマを発生させることができるプラズマ処理装置およびプラズマ処理方法を提供することにある。
　本発明のプラズマ処理装置は、共通の平面上に配置される下面を有する複数の誘電体と、
　前記複数の誘電体の各々に開口部を通じてマイクロ波を伝搬させる複数の導波路と、
　前記複数の導波路へマイクロ波をそれぞれ供給する電気的に互いに独立した複数のマイクロ波供給ユニットと、を有し、
　前記複数の誘電体の各々は、プラズマ化すべきガスを前記下面から放出するための複数のガス放出孔をそれぞれ備え、
　前記複数の誘電体は、第１の方向に配列された前記誘導体からなる第１の誘電体列と、前記第１の方向に配列された前記誘導体からなるとともに前記第１の方向に直交する第２の方向において前記第１の誘導体列に隣り合わせに配置された第２の誘導体列とを形成し、
　前記第１および第２の誘電体列の一方を形成する誘電体は、他方を形成する誘電体に対して、前記第１の方向において、偏倚して配置されている、ことを特徴とする。
　本発明のプラズマ処理方法は、共通の平面上に配置される下面を有する複数の誘電体と、
　前記複数の誘電体の各々に開口部を通じてマイクロ波を伝搬させる複数の導波路と、
　前記複数の導波路へマイクロ波をそれぞれ供給する電気的に互いに独立した複数のマイクロ波供給ユニットと、を有し、
　前記複数の誘電体の各々は、プラズマ化すべきガスを前記下面から放出するための複数のガス放出孔をそれぞれ備え、
　前記複数の誘電体は、第１の方向に配列された前記誘導体からなる第１の誘電体列と、前記第１の方向に配列された前記誘導体からなるとともに前記第１の方向に直交する第２の方向において前記第１の誘導体列に隣り合わせに配置された第２の誘導体列とを形成し、
　前記第１および第２の誘電体列の一方を形成する誘電体は、他方を形成する誘電体に対して、前記第１の方向において、偏倚して配置された、プラズマ発生機構が内部に設けられた容器内において、被処理体を前記第１および第２の誘導体列の下面に対向するように設置するステップと、
　前記複数のマイクロ波供給ユニットから、前記複数の導波路を通じて、前記複数の誘電体へ互いに同位相で同じ強度のマイクロ波を伝搬させるステップと、
　前記プラズマ発生機構により、前記複数のガス放出孔から放出されるガスをプラズマ化するステップと、を有することを特徴とする。
　本発明によれば、隣り合う第１および第２の誘電体列の一方を構成する誘電体と他方を構成する誘電体とを第１の方向において偏倚させることにより、複数の誘電体内において表面波の伝搬による定在波の形成が抑制され、その結果、複数の誘電体間においてプラズマの均一化が可能となる。また、導波路に複数の開口部を設けた場合には、各開口部の位置における定在波の位相や強度により、各開口部を通じて伝搬されるマイクロ波の強度は誘電体ごとに変化するが、複数の誘電体へ互いに同位相で同じ強度のマイクロ波を伝搬させるように、複数の導波路へマイクロ波をそれぞれ独立に供給することで、複数の誘電体の間においてプラズマの均一化が可能となる。
本発明の一実施形態に係るプラズマ処理装置の断面図。 図１のプラズマ処理装置のII‐II線方向の断面図。 図１のプラズマ処理装置のIII‐III方向から見た上面図。 シャワープレートの下面図。 図４ＡのIVＢ‐IVＢ線に沿った断面図。 図４ＢのIVＣ‐IVＣＢ線に沿った断面図。 ガス孔の直径と、ガス孔の密度、および、ガス流路の圧力の関係を示すグラフ。
　以下に添付図面を参照しながら、本発明の実施形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。
　本実施形態に係るプラズマ処理装置（以下、装置１という。）は、図１に示すように、例えば、プラズマＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）等の各種プラズマ処理に用いられる。装置１は、密閉空間２０１を画定する金属製の処理チャンバ２００、処理チャンバ２００内に設置された窒化アルミニウム等から形成されたシリコンウエハ等の基板を載置するためのステージ２２０、ステージ２２０の上方に設けられたプラズマ形成用の誘電体からなるシャワープレート１０、各シャワープレート１０上に設けられた複数の接続用誘電体２０、処理チャンバ２００の上蓋２０２上に設けられた複数の導波管５０、および、複数の導波管５０へマイクロ波をそれぞれ供給する複数のマイクロ波供給ユニット７０と、を有する。
　処理チャンバ２００は、アルミニウム合金、ステンレス等の導電性材料で形成され、基準電位に接続されている。処理チャンバ２００の底部には、処理チャンバ２００内の雰囲気を排気するための排気口２０５が設けられ、この排気口２０５に処理チャンバ２００の外部に設置された図示しない真空ポンプなどの排気装置が接続される。この排気装置により、密閉空間２０１は減圧される。
　シャワープレート１０は、酸化アルミニウム、石英等の誘電体材料で形成されている。各シャワープレート１０は、同じ寸法の矩形状の外形を有しており、図２に示すように、上蓋２１０の下面にラダー状に設けられたアルミニウム合金等の導電性材料で形成された固定部材３０により、上蓋２１０の下面に固定されている。なお、シャワープレート１０の構造および配置については、後述する。
　上蓋２１０は、アルミニウム合金、ステンレス等の導電性材料でプレート状に形成され、その上面から内部を通じてシャワープレート１０に接続されるガス流路２１５が形成されている。このガス流路２１５には、図示しないガス供給装置からプラズマ化すべき、例えば、ＳｉＨ4、Ｎ2、Ｏ2、Ｎ2Ｏ等のガスＧを供給するための図示しないガス供給装置が接続され、ガスの供給量や圧力が調整される。上蓋２１０のガス流路２１５とシャワープレート１０との接続部周辺には、ガスが漏れないように、Ｏリング２５０が設けられている。また、上蓋２１０と処理チャンバ２００の上端との間はＯリング２５２でシールされている。
　上蓋２１０には、シャワープレート１０へマイクロ波を伝搬させる導波路ＷＧの一部を画定する開口部としてのスロット２１１が複数形成されている。上蓋２１０の下面とシャワープレート１０の上面との間には、スロット２１１の周囲において、Ｏリング２５１が設けられ、スロット２１１をシールしている。
　導波管５０は、アルミニウム合金、銅等の導電性材料で形成され、断面が矩形状を有し、下端部が開口するとともに上端部が閉塞している。この導波管５０は、上蓋２０１上に固定され、上蓋２１０の上面に対して垂直な方向に延びている。
　接続用誘電体２０は、酸化アルミニウム、石英、テフロン（登録商標）などのフッ化炭素樹脂等の誘電体で形成され、スロット２１１に嵌合してスロット２１１を埋めるように形成されている。接続用誘電体２０の下端面は、シャワープレート１０の上面に当接している。接続用誘電体２０の上側部分は、先細り状に形成され、導波管５０の画定する導波路ＷＧ内に延在している。ここで、マイクロ波は、スロット２１１を通してシャワープレート１０に伝搬されるが、スロット２１１内が中空であるとマイクロ波が反射してシャワープレート１０に効率的に伝搬されない可能性がある。このため、本実施形態では、スロット２１１に接続用誘電体２０を設けることにより、マイクロ波の反射を抑えつつシャワープレート１０に効率良くマイクロ波を伝搬させることができる。
　図１および図２に示すように、導波管５０の一側面部には、長手方向の途中に、同軸管６０の一端部が接続され、この同軸管６０の他端部は、マイクロ波供給ユニット７０に接続されている。同軸管６０の内部導体６２の先端部は、導波管５０内に突出している。複数のマイクロ波供給ユニット７０は、図示しないマイクロ波電源および整合器をそれぞれ備え、複数の導波管５０に対してそれぞれ設けられ、互いに電気的に独立している。周波数が３００ＭＨｚ～６０００ＭＨｚ程度の周波数のマイクロ波を使用できるが、本実施形態では、各マイクロ波供給ユニット７０は、２４５０ＭＨｚのマイクロ波を供給する構成とした。図２に示すように、複数のマイクロ波供給ユニット７０を上蓋２１０上に配置するので、マイクロ波供給ユニット７０は可能な限り小型化される必要がある。このため、本実施形態では、マイクロ波供給ユニット７０のマイクロ波電源には、ソリッドステートタイプを用いる。ソリッドステートのマイクロ波電源では、水晶発信器で発生した高周波を逓倍回路により周波数を上げて所望の周波数のマイクロ波信号を作り、これを数段のトランジスタ増幅回路により増幅して所望の電力のマイクロ波を出力するようになっている。また、複数のマイクロ波供給ユニット７０から、複数の導波路ＷＧを通じて、複数のシャワープレート１０へ互いに同位相で同じ強度のマイクロ波を伝搬させるために、複数のマイクロ波電源は互いに同期している。複数のマイクロ波電源を同期させるには、例えば、複数のマイクロ波電源について、水晶発信器と逓倍回路の部分を共通化することである。即ち、一セットの水晶発信器と逓倍回路を用意し、この出力を分岐して複数の増幅回路に入力するようにすればよい。このとき、分岐と増幅回路を接続するケーブルは、電気長が等しくなるようにする。
　ここで、図３および図４Ａ～図４Ｃを参照して、シャワープレート１０の配置および構造を説明する。図４～図４Ｃに示すように、シャワープレート１０は、酸化アルミニウム等の誘電体材料で、外形が矩形を有する板状に形成され、平板状の上部板部１２と、これに対向するように配置された平板状の下部板部１３と、上部板部１２と下部板部１３の間に形成された閉空間からなるガス流路１４とを有する。上部板部１２の上面１２ｆは平面で構成され、上蓋２１０の平面からなる下面２１０ｆに設置される。上部板部１２は、厚さが薄く強度が低いので、図４Ｃ等に示すように、上部板部１２と下部板部１３との間に設けられた円柱状の複数の支持部１５によって支持されている。上部板部１２には、図４Ｃに示すように、ガス導入孔１６が形成されている。このガス導入孔１６は、上蓋２１０のガス流路２１５の出口と接続され、ガス流路２１５を通じてガス流路１４内にガスＧが供給される。下部板部１３には、図４Ａに示すように、多数のガス放出孔１１が略均等な密度で形成されている。なお、支持部１５のある領域付近には、ガス放出孔１１は形成されていない。本実施形態では、ガス放出孔１１の寸法は、例えば、直径０．５ｍｍ、深さ４ｍｍであり、一枚のシャワープレート１００に２２００個程度設けられている。
　上記のように構成される複数のシャワープレート１０は、同一構造および同一寸法を有し、図３に示すように、上蓋２１０の下面２１０ｆに固定部材３０によって固定されている。複数のシャワープレート１０は、固定部材３０を介して４枚のシャワープレート１０がｘ軸方向に等間隔に配列されたシャワープレート１０からなる第１のシャワープレート列１０Ａを形成している。また、複数のシャワープレート１０は、ｘ軸方向に固定部材３０を介して等間隔に配列されたシャワープレート１０からなるとともにｘ軸方向に直交するｙ軸方向において、第１のシャワープレート列１０Ａに隣り合わせに配置された第２のシャワープレート列１０Ｂを形成している。第１のシャワープレート列１０Ａおよび第２のシャワープレート列１０Ｂは、ｙ軸方向において、交互に形成している。そして、第１のシャワープレート列１０Ａのシャワープレート１０に対して、隣り合う第２のシャワープレート列１０Ｂのシャワープレート１０は、ｙ軸方向において偏倚している。この偏倚量は、これに限定されるわけではないが、好適には、シャワープレート１０のｙ軸方向の幅の略半分である。
　ここで、隣り合うシャワープレート列の間で、シャワープレート１０の位置をずらすことの意義について説明する。誘電体であるシャワープレート１０内では、表面波の伝搬により定在波が形成され、プラズマにむらが発生する。このため、シャワープレート１０が碁盤目状に配列されていると、誘電体内のプラズマのむらにより、プラズマ処理すべき基板周辺のプラズマの分布が不均一になりやすい。このため、本実施形態のように、誘電体であるシャワープレート１０を半分ずつずらしながら配列すると、基板周辺のプラズマの分布をより均一にすることができる。より詳細には、誘電体であるシャワープレート１０の下部板部１３の下面内ではプラズマ密度が均一ではなく、通常、シャワープレート１０の中央部でプラズマ密度が高い不均一な分布になっている。シャワープレート１０の外形が正方形だと仮定し、縦横に配列されたシャワープレート１０の配列ピッチをＰとする。シャワープレート１０を碁盤目状に並べた場合、シャワープレート１０の中央（プラズマ密度が最も高い部分）と、隣り合うシャワープレート１０の中央から最も離れた部分（プラズマ密度が最も低い部分）間の距離は、Ｐ/√2≒=0.707Ｐとなる。一方、半分ずつずらしながら並べた場合、この距離は5Ｐ/8=0.625Ｐとなり、碁盤目状に並べた場合よりも小さい。なお、シャワープレート１０の近傍ではプラズマが不均一であるが、プラス間処理すべき基板まで拡散する間にある程度均一化する。シャワープレート１０を半分ずつずらしながら並べた場合の方が、プラズマ密度が高い部分と低い部分の距離が短いので、基板周辺のプラズマの分布をより均一にすることができる。
　次に、スロット２１１（導波路ＷＧ）毎に、マイクロ波供給ユニット７０を設けた意義について説明する。導波路ＷＧを通じて、マイクロ波をシャワープレート１０に伝搬させると、シャワープレート１０だけではなく、導波路ＷＧ内にも定在波が生じる。仮に、導波路に複数の開口部（スロット）を形成したとすると、各スロットの位置における定在波の位相や強度に応じて、開口部(スロット)を伝搬するマイクロ波の強度は変化する。この場合には、全てのスロットから同じ強度、同じ位相のマイクロ波を伝搬させることはほぼ不可能である。これに対して、本実施形態では、スロット２１１（導波路ＷＧ）毎に、整合器およびマイクロ波電源を備えるマイクロ波供給ユニット７０を設けることで、プラズマ（負荷）の条件が変わったとしても、常時、全てのスリット２１１から同じ強度および同じ位相のマイクロ波をシャワープレート１０に伝搬させることが可能となる。この結果、複数のシャワープレート１０間でプラズマの分布をより均一にすることができる。
　次に、シャワープレートのガス放出孔の最適化について説明する。プラズマの分布の均一性を改善するには、ガス流路での放電の発生を抑制しつつラジカルの生成を促進させることが必要であり、このためには、シャワープレート１０のガス放出孔１１の寸法および開口率が重要である。ガス流路１４での放電の発生を抑制するためには、ガス流路の圧力をできるだけ高く、例えば、３００Ｔｏｒｒ以上にすることが望ましい。一方、ラジカルの発生を促進させるには、ガス放出孔１１からのガス吹き出し流速をできるだけ遅く、例えば、１ｍ/秒以下にすることが望ましい。ここで、ガス放出孔１１の直径と、ガス放出孔１１の密度（１）およびガス流路１４の圧力（２）とは、図５のグラフに示すような関係にある。このため、上記したガス吹き出し流速を、３００Ｔｏｒｒの圧力条件で実現するためには、ガス放出孔１１の長さ４ｍｍ、ガス放出孔１１の直径を４０ｎｍ、開口率０．１２７とする必要がある。例えば、１００ｍｍ×１２０ｍｍの酸化アルミニウム製の板の場合には、約１．２兆個のガス放出孔１１を形成すればよい。
　以上、添付図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明したが、本発明はかかる例に限定されない。本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
１　プラズマ処理装置
１０　シャワープレート(誘電体)
１１　ガス放出孔
２０　接続用誘電体
３０　固定部材
５０　導波管
６０　同軸管
７０　マイクロ波供給ユニット
２１１　スロット
Ｇ　ガス

Claims (2)

  1. 　共通の平面上に配置される下面を有する複数の誘電体と、
    　前記複数の誘電体の各々に開口部を通じてマイクロ波を伝搬させる複数の導波路と、
    　前記複数の導波路へマイクロ波をそれぞれ供給する電気的に互いに独立した複数のマイクロ波供給ユニットと、を有し、
    　前記複数の誘電体の各々は、プラズマ化すべきガスを前記下面から放出するための複数のガス放出孔をそれぞれ備え、
    　前記複数の誘電体は、第１の方向に配列された前記誘導体からなる第１の誘電体列と、前記第１の方向に配列された前記誘導体からなるとともに前記第１の方向に直交する第２の方向において前記第１の誘導体列に隣り合わせに配置された第２の誘導体列とを形成し、
    　前記第１および第２の誘電体列の一方を形成する誘電体は、他方を形成する誘電体に対して、前記第１の方向において、偏倚して配置されている、ことを特徴とするプラズマ処理装置。
  2. 　共通の平面上に配置される下面を有する複数の誘電体と、
    　前記複数の誘電体の各々に開口部を通じてマイクロ波を伝搬させる複数の導波路と、
    　前記複数の導波路へマイクロ波をそれぞれ供給する電気的に互いに独立した複数のマイクロ波供給ユニットと、を有し、
    　前記複数の誘電体の各々は、プラズマ化すべきガスを前記下面から放出するための複数のガス放出孔をそれぞれ備え、
    　前記複数の誘電体は、第１の方向に配列された前記誘導体からなる第１の誘電体列と、前記第１の方向に配列された前記誘導体からなるとともに前記第１の方向に直交する第２の方向において前記第１の誘導体列に隣り合わせに配置された第２の誘導体列とを形成し、
    　前記第１および第２の誘電体列の一方を形成する誘電体は、他方を形成する誘電体に対して、前記第１の方向において、偏倚して配置された、プラズマ発生機構が内部に設けられた容器内において、被処理体を前記第１および第２の誘導体列の下面に対向するように設置するステップと、
    　前記複数のマイクロ波供給ユニットから、前記複数の導波路を通じて、前記複数の誘電体へ互いに同位相で同じ強度のマイクロ波を伝搬させるステップと、
    　前記プラズマ発生機構により、前記複数のガス放出孔から放出されるガスをプラズマ化するステップと、を有することを特徴とするプラズマ処理方法。
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