WO2020116249A1 - プラズマ処理装置 - Google Patents

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WO2020116249A1
WO2020116249A1 PCT/JP2019/046222 JP2019046222W WO2020116249A1 WO 2020116249 A1 WO2020116249 A1 WO 2020116249A1 JP 2019046222 W JP2019046222 W JP 2019046222W WO 2020116249 A1 WO2020116249 A1 WO 2020116249A1
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WO
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vhf wave
dielectric
vhf
plasma
plasma processing
Prior art date
Application number
PCT/JP2019/046222
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English (en)
French (fr)
Inventor
池田　太郎
聡文 北原
Original Assignee
東京エレクトロン株式会社
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Publication date
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    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
    • H05H1/00—Generating plasma; Handling plasma
    • H05H1/24—Generating plasma
    • H05H1/46—Generating plasma using applied electromagnetic fields, e.g. high frequency or microwave energy

Definitions

  • the exemplary embodiments of the present disclosure relate to a plasma processing apparatus.
  • the conventional plasma processing apparatus is described in Patent Documents 1 and 2. Although there are various types of plasma generation methods, a capacitively coupled plasma (CCP) processing apparatus using a very high frequency (VHF) band frequency for plasma generation is drawing attention.
  • the VHF band is a frequency in the range of about 30 MHz to 300 MHz.
  • a structure is known in which electromagnetic waves are radiated perpendicularly to the surface of the wafer.
  • a plasma processing apparatus includes an upper electrode and a lower electrode facing each other in a processing container, and generates plasma in a space between the electrodes.
  • An impedance conversion part arranged in the path, a transmission part for propagating a VHF wave to the outside in the radial direction via the impedance conversion part, an upper dielectric provided below the upper electrode, and the upper dielectric.
  • a VHF wave introducing section which is provided at a lateral end portion of the VHF wave and which receives the VHF wave from the transmitting section.
  • the in-plane uniformity of plasma can be improved.
  • FIG. 1 is a diagram for explaining the vertical cross-sectional structure of the plasma processing apparatus.
  • FIG. 2 is a diagram for explaining the vertical sectional structure of the plasma processing apparatus.
  • FIG. 3 is a diagram for explaining the vertical sectional structure of the plasma processing apparatus.
  • FIG. 4 is a diagram for explaining the vertical sectional structure of the plasma processing apparatus.
  • FIG. 5 is a diagram for explaining the propagation of VHF waves in the dielectric body.
  • FIG. 6 is a graph showing the relationship between the frequency (MHz) of the VHF wave and the reflection coefficient ⁇ due to the insulator block.
  • the first plasma processing apparatus is provided with an upper electrode and a lower electrode facing each other in a processing container, and is arranged in a VHF wave power transmission path in a plasma processing apparatus that generates plasma in a space between these electrodes.
  • An impedance conversion part a transmission part for propagating a VHF wave to the outside in the radial direction via the impedance conversion part, an upper dielectric provided below the upper electrode, and a lateral end of the upper dielectric.
  • a VHF wave introduction unit to which the VHF wave from the transmission unit is input.
  • the VHF wave is introduced into the plasma generation space from the lateral direction by the VHF wave introduction unit, in this case, the VHF wave can be introduced from a plurality of directions, and the generation of the standing wave of the VHF wave is suppressed. Therefore, the in-plane uniformity of plasma can be improved.
  • the impedance converter is arranged in the power transmission path of the VHF wave, the VHF wave can be efficiently guided into the plasma generation space, and the plasma can be efficiently generated.
  • the impedance conversion unit is made of ceramics. Since ceramics has a high dielectric constant, impedance conversion can be easily performed.
  • FIG. 1 is an explanatory diagram showing a device configuration (first embodiment) of a plasma processing apparatus 100.
  • a three-dimensional orthogonal coordinate system is set.
  • the vertical direction of the plasma processing apparatus is the Z-axis direction, and the two directions perpendicular to this are the X-axis and the Y-axis, respectively.
  • the plasma processing apparatus 100 is provided with an upper electrode 5 and a lower electrode 6 that are arranged to face each other in the processing container 1, and is intended for a plasma processing apparatus that generates plasma in a space SP between these electrodes.
  • the lower surface of the upper electrode 5 is flat, and the upper surface of the lower electrode 6 has a recess 6d.
  • An upper dielectric 7 is provided on the lower surface side of the upper electrode 5, while a lower dielectric 8 is provided in the recess of the lower electrode 6, and a space between the upper dielectric 7 and the lower dielectric 8 is provided.
  • a VHF wave introducing unit 9 is provided at the lateral end of the SP.
  • a VHF wave waveguide 2 made of a dielectric material is provided near the upper open end of the processing container 1.
  • air is exemplified as the dielectric here, but in addition, quartz, alumina, or the like can be adopted as the dielectric.
  • the VHF wave waveguide 2 extending in the horizontal direction has a side wall 2w of the waveguide at the upper part.
  • An opening is formed in the center of the processing container, the side wall around the opening constitutes the outer conductor 3a of the coaxial waveguide, and the inner conductor 3b is arranged at the center of the axis.
  • the inner conductor 3b is integrally formed with the upper electrode 5 and is electrically connected thereto.
  • An upper dielectric 7 (dielectric shower) is fixed to the lower surface of the upper electrode 5.
  • the lower surface of the upper dielectric 7 is flat and parallel to the XY plane.
  • the planar shapes of the upper dielectric 7 and the upper electrode 5 (the shapes viewed from the Z-axis direction) are circular.
  • the upper dielectric 7 has a structure with a constant thickness, and the upper and lower surfaces thereof are flat surfaces parallel to the XY plane.
  • a mortar-shaped recess 6d is formed on the upper surface of the lower electrode 6, and the lower dielectric 8 is embedded in the recess 6d.
  • the upper surface of the lower dielectric 8 is flat and parallel to the XY plane. Further, the planar shapes (shapes viewed from the Z-axis direction) of the lower dielectric 8 and the lower electrode 6 are circular.
  • the lower dielectric 8 has a large thickness in the central portion and a small thickness in the outer peripheral portion.
  • the central region of the lower surface of the lower dielectric 8 is flat and parallel to the XY plane, and the outermost region is also flat and parallel to the XY plane, but the region between them is a conical surface, and from the bottom to the top. It is composed of an inclined surface whose diameter of the plane shape increases toward the side.
  • the VHF wave introduced into the central part of the VHF wave waveguide 2 (transmission part) in the horizontal direction travels radially to the peripheral part along the horizontal direction.
  • the VHF wave waveguide 2 is a transmission unit that propagates VHF waves outward in the radial direction. After that, the VHF wave travels downward in a waveguide 1w formed of a concave portion (planar shape is circular ring-shaped, depth is in the Z-axis direction) provided in the side wall of the processing container 1, and reaches the VHF wave introducing portion 9. It is introduced and proceeds from the outer peripheral portion toward the central portion.
  • the planar shape of the VHF wave introducing unit 9 is a circular ring shape, and the VHF wave travels from all horizontal azimuths toward the axial center of the processing container.
  • the VHF wave introducing unit 9 is located in the lateral direction of the plasma generation space SP.
  • the VHF wave introducing unit 9 is provided at the position of the lateral end of the upper dielectric body 7, and receives the VHF wave from the transmitting unit.
  • the VHF wave introducing portion 9 is in contact with the side end portion of the upper dielectric body 7.
  • the VHF wave generated from the VHF wave generator 13 is introduced into the horizontal VHF wave waveguide 2 through the waveguide.
  • the VHF wave introducing unit 9 is located at the lateral end (horizontal end), and since VHF waves are introduced from various lateral directions into this space, a standing wave is formed. There is an advantage that it is hard to be done. Further, the electric field vector generated between the upper electrode 5 and the lower electrode 6 tends to incline downward from the vertical direction in the outer peripheral region of the electrode, but the lower electrode 6 is provided with the recess 6d. ing.
  • the lower dielectric 8 Since the lower dielectric 8 is provided in the recess 6d, the electric field distribution in the vicinity of the stage can be made uniform in the plane by the dielectric. Further, the lower dielectric 8 has a thinner outer peripheral portion than a central portion. In particular, the direction and magnitude of the electric field vector affected by the dielectric material also depends on its thickness. Therefore, by setting it thin on the outer periphery of the dielectric material, the in-plane uniformity of the electric field vector strength can be improved. You can
  • the surface on the side opposite to the plasma generation space SP is inclined like a mortar. With this inclination, the corresponding electric field vector can be directed more vertically, and the in-plane plasma uniformity can be enhanced. That is, the lower dielectric 8 has a lens function of bending the electric field vector. In this case, the electric field vector of the VHF wave in the peripheral region tends to be the same as that in the central region, and the in-plane uniformity of the electric field vector becomes high.
  • the upper dielectric 7 and the lower dielectric 8 are coaxially arranged with the space SP in between. That is, the in-plane uniformity of plasma can be improved when the axes between the electrodes are aligned. Further, the distance ⁇ x, which is the difference between the radius of the upper dielectric body 7 and the radius of the lower dielectric body 8, is preferably close to zero. This is because the plasma generation conditions are symmetrical and the plasma uniformity is improved.
  • the lower electrode 6 can be moved vertically by the drive stage DRV. As a result, plasma can be generated under optimum conditions. Further, the lower electrode 6 is provided with a temperature adjusting device TEMP.
  • the temperature control device TEMP includes a medium passage for flowing a cooling medium, a heater, and a temperature sensor, and the control device 12 controls the lower electrode 6 to have a target temperature. For example, if the target temperature is T1° C., if the output of the temperature sensor is smaller than T1° C., the heater is heated, and if it is higher than T1° C., the heater is not heated and the cooling medium is flown into the medium passage. , It should be controlled.
  • the control device 12 also controls the exhaust device 14.
  • the exhaust device 14 exhausts the gas in the annular exhaust passage 4 provided in the outer wall of the processing container 1.
  • the exhaust passage 4 is provided in the lateral direction of the plasma generation space SP, and communicates with a plurality of exhaust holes provided along the circumferential direction on the inner surface of the processing container. Thereby, the gas in the plasma generation space SP can be exhausted, and the pressure in this space can be set to an appropriate value. This pressure may be changed depending on the processing content, but can be set to 0.1 Pa to 100 Pa, for example.
  • a pump normally used in a vacuum system device such as a rotary pump, an ion pump, a cryostat, or a turbo molecular pump can be adopted.
  • the control device 12 controls the flow rate controller 11 that controls the flow rate of the gas generated from the gas source 10.
  • the flow rate controller 11 may be a simple valve. As a result, the target gas can be introduced into the processing container 1.
  • the controller 12 also controls the VHF wave generator 13.
  • the frequency of the VHF wave is about 30 MHz to 300 MHz.
  • gases that can be used for the gas source 10 include noble gases such as Ar, gases containing carbon and fluorine such as CF 4 and C 4 F 8 and gases such as N 2 and O 2 .
  • Aluminum can be used as the material of the upper electrode 5 and the lower electrode 6.
  • Aluminum nitride (AlN) can be used as a material for the upper dielectric body 7 and the lower dielectric body 8.
  • air is used as the material of the VHF wave waveguide 2 in the horizontal direction, a dielectric such as quartz or alumina may be used as long as the waveguide can be formed.
  • silicon or the like can be used, and processing such as film formation or etching can be performed on this substrate.
  • an electrostatic chuck may be provided, a DC bias potential may be applied to the lower dielectric 8, or a high frequency voltage may be applied between the upper and lower electrodes in some cases.
  • a configuration in which a magnet is arranged in the is also conceivable.
  • An opening having a circular planar shape is provided in the upper side wall 2w of the VHF wave waveguide 2 in the horizontal direction, and a gas introduction passage 2A is formed in this opening. That is, a through hole is formed in the VHF wave waveguide 2.
  • the shape of the through hole is an annular shape in a plan view, and a ring-shaped tube of an insulator made of alumina (Al 2 O 3 ) is arranged in the through hole to form the gas introduction passage 2A.
  • the outer conductor 3a is located near the center of the VHF wave waveguide 2.
  • An appropriate gas storage space is communicated with the gas introduction passage 2A, and gas is introduced into the gas introduction passage 2A from this space.
  • a gas passage is formed inside the upper electrode 5, and reaches the upper dielectric body 7 of the shower structure through the gas passage and the gas diffusion plate 7A.
  • the gas diffusion plate 7A is a diffuser and has a plurality of through holes formed therein.
  • the material of the gas diffusion plate 7A is made of an insulator such as AlN, alumina, or SiO 2, but it may be made of a mesh electrode or the like.
  • the plasma processing apparatus includes the upper electrode 5 and the lower electrode 6 that are arranged to face each other in the processing container, and the dielectric shower for gas introduction that is arranged below the upper electrode 5. Plasma is generated in the space between the lower electrode 5 and the lower electrode 6.
  • the insulator block 2B is arranged on the upper electrode 5.
  • the above-mentioned VHF wave waveguide 2 is air, and in the upper structure of the processing container 1, the waveguide 2 that extends in the horizontal direction and is communicated with the waveguide 1w formed of the recess provided in the sidewall of the processing container 1 is arranged. ing.
  • An insulator block 2B made of a ring-shaped insulator is arranged between the outer conductor 3a and the inner conductor 3b.
  • the VHF wave introduced from the upper portion of the insulator block 2B reaches the vertical waveguide 1w via the horizontal waveguide 2 and is introduced into the processing container via the VHF wave introducing unit 9. To be done.
  • the VHF wave also passes through the gas introduction passage 2A made of alumina or the like.
  • the plasma processing apparatus includes the impedance converter (insulator block 2B) arranged in the power transmission path of the VHF wave. Further, the plasma processing apparatus includes a transmission section (VHF wave waveguide 2) for propagating a VHF wave outward in the radial direction through an impedance conversion section, an upper dielectric 7 provided below the upper electrode 5, and an upper section.
  • a VHF wave introducing unit 9 is provided at a lateral end of the dielectric 7 and receives the VHF wave from the transmitting unit (VHF wave waveguide 2).
  • the impedance conversion unit matches the characteristic impedance of the coaxial tubes (3a, 3b) with the impedance of the antenna unit (waveguide 2, block 2B and subsequent portions, introduction unit 9, upper dielectric 7).
  • the VHF wave introducing unit 9 introduces the VHF wave from the lateral direction into the plasma generation space SP, in this case, the VHF wave can be introduced from a plurality of directions, and the standing wave of the VHF wave is generated. Is suppressed, and therefore, the in-plane uniformity of plasma can be improved.
  • the insulator block 2B as the impedance converter is arranged in the power transmission path of the VHF wave, the VHF wave can be efficiently guided into the plasma generation space, and the plasma can be efficiently generated. Can be made
  • the insulator block 2B is made of ceramics. Since ceramics has a high dielectric constant, impedance conversion can be easily performed. Alumina is suitable as the material of the ceramics. Zirconia, silicon nitride, silicon carbide, sialon and the like are also known as ceramic materials.
  • the insulator block 2B can also be composed of a plurality of vertically stacked parts. In this case, the impedance can be precisely adjusted by using a plurality of components. Alumina or the like is exemplified as the plurality of vertically stacked components.
  • FIG. 2 is an explanatory diagram showing a device configuration (second embodiment) of the plasma processing apparatus 100.
  • a three-dimensional orthogonal coordinate system is set.
  • the vertical direction of the plasma processing apparatus is the Z-axis direction, and the two directions perpendicular to this are the X-axis and the Y-axis, respectively.
  • the plasma processing apparatus 100 is provided with an upper electrode 5 and a lower electrode 6 that are arranged to face each other in the processing container 1, and is intended for a plasma processing apparatus that generates plasma in a space SP between these electrodes.
  • the upper electrode 5 and the lower electrode 6 are provided with recesses 5d and 6d, respectively, on their surfaces facing each other.
  • an upper dielectric 7 and a lower dielectric 8 are provided in the recesses of the upper electrode 5 and the lower electrode 6, respectively, and a lateral end portion of the space SP between the upper dielectric 7 and the lower dielectric 8 is provided.
  • a VHF wave waveguide 2 made of a dielectric material is provided near the upper open end of the processing container 1.
  • air is exemplified as the dielectric here, but in addition, quartz, alumina, or the like can be adopted as the dielectric.
  • the VHF wave waveguide 2 extending in the horizontal direction has a side wall 2w of the waveguide at the upper part.
  • An opening is formed in the center of the processing container, the side wall around the opening constitutes the outer conductor 3a of the coaxial waveguide, and the inner conductor 3b is arranged at the center of the axis.
  • the inner conductor 3b is integrally formed with the upper electrode 5 and is electrically connected thereto.
  • a mortar-shaped recess 5d is formed on the lower surface of the upper electrode 5, and an upper dielectric 7 (dielectric shower) is embedded in the recess 5d.
  • the lower surface of the upper dielectric 7 is flat and parallel to the XY plane.
  • the planar shapes of the upper dielectric 7 and the upper electrode 5 are circular.
  • the upper dielectric 7 has a large thickness in the central portion and a small thickness in the outer peripheral portion.
  • the central region of the upper surface of the upper dielectric 7 is flat and parallel to the XY plane, and the outermost region is also flat and parallel to the XY plane, but the region between them is a conical surface, and from top to bottom. It is composed of an inclined surface whose diameter of the plane shape increases toward the side.
  • a mortar-shaped recess 6d is formed on the upper surface of the lower electrode 6, and the lower dielectric 8 is embedded in the recess 6d.
  • the upper surface of the lower dielectric 8 is flat and parallel to the XY plane. Further, the planar shapes (shapes viewed from the Z-axis direction) of the lower dielectric 8 and the lower electrode 6 are circular.
  • the lower dielectric 8 has a large thickness in the central portion and a small thickness in the outer peripheral portion.
  • the central region of the lower surface of the lower dielectric 8 is flat and parallel to the XY plane, and the outermost region is also flat and parallel to the XY plane, but the region between them is a conical surface, and from the bottom to the top. It is composed of an inclined surface whose diameter of the plane shape increases toward the side.
  • the VHF wave introduced into the central part of the VHF wave waveguide 2 (transmission part) in the horizontal direction travels radially to the peripheral part along the horizontal direction.
  • the VHF wave waveguide 2 is a transmission unit that propagates VHF waves outward in the radial direction. After that, the VHF wave travels downward in a waveguide 1w formed of a concave portion (planar shape is circular ring-shaped, depth is in the Z-axis direction) provided in the side wall of the processing container 1, and reaches the VHF wave introducing portion 9. It is introduced and proceeds from the outer peripheral portion toward the central portion.
  • the planar shape of the VHF wave introducing unit 9 is a circular ring shape, and the VHF wave travels from all horizontal azimuths toward the axial center of the processing container.
  • the VHF wave introducing unit 9 is located in the lateral direction of the plasma generation space SP.
  • the VHF wave introducing unit 9 is provided at the position of the lateral end of the upper dielectric body 7, and receives the VHF wave from the transmitting unit.
  • the VHF wave introducing portion 9 is in contact with the side end portion of the upper dielectric body 7.
  • the VHF wave generated from the VHF wave generator 13 is introduced into the horizontal VHF wave waveguide 2 through the waveguide. After that, as described above, when the VHF wave is introduced from the VHF wave introducing unit 9 between the upper electrode 5 and the lower electrode 6, the gas inside the processing container is turned into plasma and plasma is generated. In this case, the VHF wave introducing unit 9 is located at the lateral end (horizontal end), and since VHF waves are introduced from various lateral directions into this space, a standing wave is formed. There is an advantage that it is hard to be done.
  • the electric field vector generated between the upper electrode 5 and the lower electrode 6 tends to incline downward from the vertical direction in the outer peripheral region of the electrode. A recess is provided.
  • the electric field vector can be made uniform in the plane by these dielectrics. Therefore, the plasma distribution generated between the upper electrode 5 and the lower electrode 6 can be made uniform in the plane by introducing the VHF wave in the lateral direction and making the direction of the electric field vector uniform.
  • the upper dielectric 7 and the lower dielectric 8 each have a thinner outer peripheral portion than a central portion.
  • the direction and magnitude of the electric field vector affected by the dielectric material also depends on its thickness. Therefore, by setting it thin on the outer periphery of the dielectric material, the in-plane uniformity of the electric field vector strength can be improved.
  • the surfaces on the side opposite to the plasma generation space SP are inclined like a mortar. With this inclination, the corresponding electric field vector can be directed more vertically, and the in-plane plasma uniformity can be enhanced. That is, the upper dielectric 7 and the lower dielectric 8 have a lens function of bending the electric field vector. In other words, the dielectric shower becomes thinner toward the peripheral region. In this case, the electric field vector of the VHF wave in the peripheral region tends to be the same as that in the central region, and the in-plane uniformity of the electric field vector becomes high.
  • the upper dielectric 7 and the lower dielectric 8 are coaxially arranged with the space SP in between. That is, the in-plane uniformity of plasma can be improved when the axes between the electrodes are aligned. Further, the distance ⁇ x, which is the difference between the radius of the upper dielectric body 7 and the radius of the lower dielectric body 8, is preferably close to zero. This is because the plasma generation conditions are symmetrical and the plasma uniformity is improved.
  • the lower electrode 6 can be moved vertically by the drive stage DRV. As a result, plasma can be generated under optimum conditions. Further, the lower electrode 6 is provided with a temperature adjusting device TEMP.
  • the temperature control device TEMP includes a medium passage for flowing a cooling medium, a heater, and a temperature sensor, and the control device 12 controls the lower electrode 6 to have a target temperature. For example, if the target temperature is T1° C., if the output of the temperature sensor is smaller than T1° C., the heater is heated, and if it is higher than T1° C., the heater is not heated and the cooling medium is flown into the medium passage. , It should be controlled.
  • the control device 12 also controls the exhaust device 14.
  • the exhaust device 14 exhausts the gas in the annular exhaust passage 4 provided in the outer wall of the processing container 1.
  • the exhaust passage 4 is provided in the lateral direction of the plasma generation space SP, and communicates with a plurality of exhaust holes provided along the circumferential direction on the inner surface of the processing container. Thereby, the gas in the plasma generation space SP can be exhausted, and the pressure in this space can be set to an appropriate value. This pressure may be changed depending on the processing content, but can be set to 0.1 Pa to 100 Pa, for example.
  • a pump normally used in a vacuum system device such as a rotary pump, an ion pump, a cryostat, or a turbo molecular pump can be adopted.
  • the control device 12 controls the flow rate controller 11 that controls the flow rate of the gas generated from the gas source 10.
  • the flow rate controller 11 may be a simple valve. As a result, the target gas can be introduced into the processing container 1.
  • the controller 12 also controls the VHF wave generator 13.
  • the frequency of the VHF wave is about 30 MHz to 300 MHz.
  • gases that can be used for the gas source 10 include noble gases such as Ar, gases containing carbon and fluorine such as CF 4 and C 4 F 8 and gases such as N 2 and O 2 .
  • Aluminum can be used as the material of the upper electrode 5 and the lower electrode 6.
  • Aluminum nitride (AlN) can be used as a material for the upper dielectric body 7 and the lower dielectric body 8.
  • air is used as the material of the VHF wave waveguide 2 in the horizontal direction, a dielectric such as quartz or alumina may be used as long as the waveguide can be formed.
  • silicon or the like can be used, and processing such as film formation or etching can be performed on this substrate.
  • an electrostatic chuck may be provided, a DC bias potential may be applied to the lower dielectric 8, or a high frequency voltage may be applied between the upper and lower electrodes in some cases.
  • a configuration in which a magnet is arranged in the is also conceivable.
  • An opening having a circular planar shape is provided in the upper side wall 2w of the VHF wave waveguide 2 in the horizontal direction, and a gas introduction passage 2A is formed in this opening. That is, a through hole is formed in the VHF wave waveguide 2.
  • the shape of the through hole is an annular shape in a plan view, and a ring-shaped tube of an insulator made of alumina (Al 2 O 3 ) is arranged in the through hole to form the gas introduction passage 2A.
  • the outer conductor 3a is located near the center of the VHF wave waveguide 2.
  • An appropriate gas storage space is communicated with the gas introduction passage 2A, and gas is introduced into the gas introduction passage 2A from this space.
  • a gas passage is formed inside the upper electrode 5, and reaches the upper dielectric body 7 of the shower structure through the gas passage and the gas diffusion plate 7A.
  • the gas diffusion plate 7A is a diffuser and has a plurality of through holes formed therein.
  • the material of the gas diffusion plate 7A is made of an insulator such as AlN, alumina, or SiO 2, but it may be made of a mesh electrode or the like.
  • the plasma processing apparatus includes the upper electrode 5 and the lower electrode 6 that are arranged to face each other in the processing container, and the dielectric shower for gas introduction that is arranged below the upper electrode 5. Plasma is generated in the space between the lower electrode 5 and the lower electrode 6.
  • the insulator block 2B is arranged on the upper electrode 5.
  • the above-mentioned VHF wave waveguide 2 is air, and in the upper structure of the processing container 1, the waveguide 2 that extends in the horizontal direction and is communicated with the waveguide 1w formed of the recess provided in the sidewall of the processing container 1 is arranged. ing.
  • An insulator block 2B made of a ring-shaped insulator is arranged between the outer conductor 3a and the inner conductor 3b.
  • the VHF wave introduced from the upper part of the insulator block 2B reaches the vertical waveguide 1w via the horizontal waveguide 2 and is introduced into the processing container via the VHF wave introducing unit 9. To be done.
  • the VHF wave also passes through the gas introduction passage 2A made of alumina or the like.
  • the plasma processing apparatus includes the impedance converter (insulator block 2B) arranged in the power transmission path of the VHF wave. Further, the plasma processing apparatus includes a transmission section (VHF wave waveguide 2) for propagating a VHF wave outward in the radial direction through an impedance conversion section, an upper dielectric 7 provided below the upper electrode 5, and an upper section. A VHF wave introducing unit 9 is provided at a lateral end of the dielectric 7 and receives the VHF wave from the transmitting unit (VHF wave waveguide 2).
  • the VHF wave introducing unit 9 introduces the VHF wave from the lateral direction into the plasma generation space SP, in this case, the VHF wave can be introduced from a plurality of directions, and the standing wave of the VHF wave is generated. Is suppressed, and therefore, the in-plane uniformity of plasma can be improved.
  • the insulator block 2B as the impedance converter is arranged in the power transmission path of the VHF wave, the VHF wave can be efficiently guided into the plasma generation space, and the plasma can be efficiently generated. Can be made
  • the insulator block 2B is made of ceramics. Since ceramics has a high dielectric constant, impedance conversion can be easily performed. Alumina is suitable as the material of the ceramics. Zirconia, silicon nitride, silicon carbide, sialon and the like are also known as ceramic materials.
  • the insulator block 2B can also be composed of a plurality of vertically stacked parts. In this case, the impedance can be precisely adjusted by using a plurality of components. Alumina or the like is exemplified as the plurality of vertically stacked components.
  • FIG. 3 is a diagram for explaining a vertical cross-section structure (third embodiment) of a plasma processing apparatus of another embodiment.
  • the dielectric of the VHF wave waveguide 2 in the horizontal direction is replaced with air, and a solid dielectric 2S such as quartz is used.
  • the other points are the same as above.
  • the solid dielectric 2S is located between the upper electrode 5 and the upper side wall 2w.
  • FIG. 4 is a diagram for explaining a vertical cross-sectional structure (a fourth embodiment) of a plasma processing apparatus of another mode.
  • the plasma processing apparatus in FIG. 4 is obtained by moving the position of the VHF wave introducing unit 9 in FIG. 1 slightly downward.
  • the other points are the same as those in FIG. That is, the vertical distance ⁇ zup from the lower surface of the upper dielectric 7 to the VHF wave introducing portion 9 is equal to the vertical distance ⁇ zdown from the upper surface of the lower dielectric 8 to the VHF wave introducing portion 9.
  • the distance ⁇ z between the upper dielectric 7 and the lower dielectric 8 is preferably, for example, 5 mm to 80 mm from the viewpoint of generating uniform plasma.
  • FIG. 5 is a diagram for explaining the propagation of VHF waves in the dielectric body.
  • the impedance conversion section is used to improve the introduction efficiency of the VHF wave up to the inside of the plasma generation space SP. ..
  • the VHF wave is air (AIR), dielectric element DE1 (insulator block 2B: Al 2 O 3 ), dielectric element DE2 (air), dielectric element DE3 (side wall of gas introduction passage 2A: Al 2 O 3 ), dielectric element DE4 (inside gas introduction passage 2A: air), dielectric element DE5 (side wall of gas introduction passage 2A: Al 2 O 3 ), dielectric element DE6 (after gas introduction passage 2A).
  • the plasma processing space SP (assumed to be air) is reached.
  • Ln may be considered in the same manner as in the case of ⁇ Z described above.
  • FIG. 6 is a graph showing the relationship between the frequency (MHz) of VHF waves and the reflection coefficient ⁇ due to the insulator block.
  • the material of the insulator block 2B was alumina, the thickness in the Z-axis direction was 80 mm, and the radial distance was 74 mm.
  • the reflection coefficient ⁇ of the VHF wave introduced into the insulator block 2B via air is 0.74.
  • the reflection coefficient ⁇ has a minimum value in the graph, the frequency of the VHF wave is constrained by the plasma generation conditions. Therefore, in the case of 180 MHz, the reflection coefficient ⁇ is 0.74 in the structure of FIG. is there.
  • the in-plane uniformity of plasma can be improved while efficiently introducing the VHF wave into the processing container.

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Abstract

プラズマの面内均一性を向上可能なプラズマ処理装置を提供する。このプラズマ処理装置は、処理容器内に対向配置された上部電極及び下部電極を備え、これらの電極間の空間にプラズマを発生させるプラズマ処理装置において、ＶＨＦ波の電力伝送路中に配置されたインピーダンス変換部（絶縁体ブロック）と、インピーダンス変換部を介してＶＨＦ波を径方向の外側に伝搬させる伝送部（ＶＨＦ波導波路）と、上部電極の下方に設けられた上部誘電体と、上部誘電体の横方向端部の位置に設けられ、伝送部からのＶＨＦ波が入力されるＶＨＦ波導入部とを備えている。

Description

プラズマ処理装置
　本開示の例示的実施形態は、プラズマ処理装置に関する。
　従来のプラズマ処理装置は、特許文献１～特許文献２に記載されている。プラズマの発生方式には様々なものがあるが、超短波（ＶＨＦ）帯の周波数をプラズマ発生に用いた容量結合プラズマ（ＣＣＰ）処理装置が、注目されている。ＶＨＦ帯とは、３０ＭＨｚ～３００ＭＨｚ程度の範囲の周波数である。一般的には、電磁波をウェハの表面に対して垂直に放射する構造が知られている。
特開平１０－１７２７９２号公報 特開２０１１－１７１７５０号公報
　しかしながら、ＶＨＦ波を処理容器内に導入する場合、処理容器内で定在波が形成される傾向があり、プラズマの面内均一性が十分ではない。プラズマの面内均一性を向上可能なプラズマ処理装置が期待されている。
　一つの例示的実施形態に係るプラズマ処理装置は、処理容器内に対向配置された上部電極及び下部電極を備え、これらの電極間の空間にプラズマを発生させるプラズマ処理装置において、ＶＨＦ波の電力伝送路中に配置されたインピーダンス変換部と、前記インピーダンス変換部を介してＶＨＦ波を径方向の外側に伝搬させる伝送部と、前記上部電極の下方に設けられた上部誘電体と、前記上部誘電体の横方向端部の位置に設けられ、前記伝送部からのＶＨＦ波が入力されるＶＨＦ波導入部とを備えることを特徴とする。
　一つの例示的実施形態に係るプラズマ処理装置によれば、プラズマの面内均一性を向上させることができる。
図１はプラズマ処理装置の縦断面構造を説明するための図である。 図２はプラズマ処理装置の縦断面構造を説明するための図である。 図３はプラズマ処理装置の縦断面構造を説明するための図である。 図４はプラズマ処理装置の縦断面構造を説明するための図である。 図５は誘電体内のＶＨＦ波の伝搬を説明するための図である。 図６はＶＨＦ波の周波数（ＭＨｚ）と絶縁体ブロックによる反射係数Γとの関係を示すグラフである。
　第１のプラズマ処理装置は、処理容器内に対向配置された上部電極及び下部電極を備え、これらの電極間の空間にプラズマを発生させるプラズマ処理装置において、ＶＨＦ波の電力伝送路中に配置されたインピーダンス変換部と、前記インピーダンス変換部を介してＶＨＦ波を径方向の外側に伝搬させる伝送部と、前記上部電極の下方に設けられた上部誘電体と、前記上部誘電体の横方向端部の位置に設けられ、前記伝送部からのＶＨＦ波が入力されるＶＨＦ波導入部とを備えることを特徴とする。
　ＶＨＦ波導入部により、横方向のからＶＨＦ波がプラズマ発生空間に導入されるため、この場合には、複数の方向からＶＨＦ波を導入することができ、ＶＨＦ波の定在波の発生が抑制され、したがって、プラズマの面内均一性を向上させることができる。ここで、インピーダンス変換部は、ＶＨＦ波の電力伝送路中に配置されているので、ＶＨＦ波を効率的にプラズマ発生空間内に導くことができ、効率的にプラズマを発生させることができる。
　第２のプラズマ処理装置においては、前記インピーダンス変換部は、セラミックスからなることを特徴とする。セラミックスは、誘電率が高いため、インピーダンス変換を容易に行うことができる。
　第３のプラズマ処理装置においては、インピーダンス変換部は、上下方向に積層した複数の部品から構成されていることを特徴とする。この場合、複数の部品を用いることで、インピーダンスの精密な調整を行うことができる。
　以下、実施の形態に係るプラズマ処理装置について説明する。同一要素には、同一符号を用い、重複する説明は省略する。
　図１は、プラズマ処理装置１００の装置構成（第１実施形態）を示す説明図である。なお、説明の便宜上、三次元直交座標系を設定する。プラズマ処理装置の鉛直方向をＺ軸方向とし、これに垂直な２方向をそれぞれＸ軸及びＹ軸とする。
　このプラズマ処理装置１００は、処理容器１内に対向配置された上部電極５及び下部電極６を備え、これらの電極間の空間ＳＰにプラズマを発生させるプラズマ処理装置を対象としている。上部電極５の下面は平坦であり、下部電極６の上面は凹部６ｄを備えている。また、上部電極５の下面側には上部誘電体７が設けられる一方、下部電極６の凹部内には、下部誘電体８が設けられ、上部誘電体７と下部誘電体８との間の空間ＳＰの横方向端部には、ＶＨＦ波導入部９が設けられている。
　処理容器１の上部開口端の近傍には、誘電体からなるＶＨＦ波導波路２が設けられている。ＶＨＦ波導波路２は、ここでの誘電体としては、空気を例示するが、その他、石英や、アルミナなどを誘電体として採用することができる。水平方向に延びたＶＨＦ波導波路２は、上部に導波管の側壁２ｗが位置している。処理容器の中央は開口しており、開口周囲の側壁が、同軸管の外側導体３ａを構成し、軸中心には内側導体３ｂが配置されている。なお、内側導体３ｂは、上部電極５に対して一体的に構成され、電気的に接続されている。
　上部電極５の下面には、上部誘電体７（誘電体シャワー）が固定されている。上部誘電体７の下部表面は平坦であり、ＸＹ平面に平行である。また、上部誘電体７及び上部電極５の平面形状（Ｚ軸方向から見た形状）は、円形である。上部誘電体７は、厚みが一定の構造を有しており、上下の面は、それぞれＸＹ平面に平行な平坦面である。
　下部電極６の上面には、すり鉢状の凹部６ｄが形成されており、この凹部６ｄ内に下部誘電体８が埋め込まれている。下部誘電体８の上部表面は平坦であり、ＸＹ平面に平行である。また、下部誘電体８及び下部電極６の平面形状（Ｚ軸方向から見た形状）は、円形である。下部誘電体８は、中央部では厚みが厚く、外周部では厚みが薄い。下部誘電体８の下部表面の中央領域は平坦でＸＹ平面に平行であり、最外領域も平坦でＸＹ平面に平行であるが、これらの間の領域は、円錐面であり、下部から上部に向けて平面形状の直径が大きくなる傾斜面からなる。
　水平方向のＶＨＦ波導波路２（伝送部）の中央部に導入されたＶＨＦ波は、水平方向に沿って放射状に周辺部に進行する。ＶＨＦ波導波路２は、ＶＨＦ波を径方向の外側に伝搬させる伝送部である。その後、このＶＨＦ波は、処理容器１の側壁に設けられた凹部（平面形状は円リング状で、深さはＺ軸方向）からなる導波路１ｗを下方に進行し、ＶＨＦ波導入部９に導入され、外周部から中央部に向けて進行する。ＶＨＦ波導入部９の平面形状は円リング状であり、水平方向の全方位から処理容器の軸中心に向けて、ＶＨＦ波が進行する。ＶＨＦ波導入部９は、プラズマ発生空間ＳＰの横方向に位置している。ＶＨＦ波導入部９は、上部誘電体７の横方向端部の位置に設けられ、上記の伝送部からのＶＨＦ波が入力される。ここでは、ＶＨＦ波導入部９は、上部誘電体７の側方端部に接触している。
　ＶＨＦ波発生器１３から発生したＶＨＦ波は、導波管を通って、水平方向のＶＨＦ波導波路２に導入される。その後、上述のように、上部電極５と下部電極６との間に、ＶＨＦ波導入部９から、ＶＨＦ波が導入されると、処理容器の内部のガスがプラズマ化し、プラズマが発生する。この場合、ＶＨＦ波導入部９は、横方向端部（水平方向端部）に位置しており、この空間内には、様々な横方向からＶＨＦ波が導入されるので、定在波が形成されにくいという利点がある。また、上部電極５と下部電極６との間に発生する電界ベクトルは、電極の外周領域では鉛直方向から下向き外側に向けて傾斜する傾向があるが、下部電極６には、凹部６ｄが設けられている。この凹部６ｄには、下部誘電体８が設けられているので、この誘電体により、ステージ近傍の電界分布を面内で均一にすることができる。また、下部誘電体８は、中央部の厚みよりも外周部の厚みが薄い。特に、誘電体が影響を与える電界ベクトルの向きと大きさは、その厚みにも依存するので、誘電体の外周部において、薄く設定することで、電界ベクトル強度の面内均一性を向上させることができる。
　また、下部誘電体８において、プラズマ発生空間ＳＰとは反対側の面は、すり鉢状に傾斜している。この傾斜により、対応する電界ベクトルをより鉛直方向に向け、面内のプラズマ均一性を高めることができる。すなわち、下部誘電体８には、電界ベクトルを曲げるレンズ機能がある。この場合、周辺領域のＶＨＦ波の電界ベクトルが、中央領域と同じようになる傾向があり、電界ベクトルの面内均一性が高くなる。
　また、上部誘電体７及び下部誘電体８は、空間ＳＰを挟んで同軸配置されている。すなわち、電極間の軸が一致している方が、プラズマの面内均一性を高めることができるからである。また、上部誘電体７の半径と、下部誘電体８の半径との差の距離Δｘは、０に近い値の方が好ましい。プラズマ発生条件が対称になるため、プラズマの均一性が高まるからである。
　下部電極６は、駆動ステージＤＲＶによって上下方向に移動させることができる。これにより、最適な条件でプラズマを発生させることができる。また、下部電極６には、温度調節装置ＴＥＭＰが設けられている。温度調節装置ＴＥＭＰは、冷却媒体を流すための媒体通路と、ヒータと、温度センサとを含んでおり、制御装置１２によって、下部電極６が目的の温度となるように制御される。例えば、目標温度がＴ１℃であれば、温度センサの出力がＴ１℃よりも小さければ、ヒータを加熱し、Ｔ１℃よりも高ければ、ヒータを加熱しないで、冷却媒体を媒体通路に流すように、制御すればよい。
　制御装置１２は、排気装置１４も制御している。排気装置１４は、処理容器１の外壁内に設けられた円環状の排気通路４内のガスを排気する。排気通路４は、プラズマ発生空間ＳＰの横方向に設けられており、処理容器の内面において周方向に沿って設けられた複数の排気孔に連通している。これにより、プラズマ発生空間ＳＰ内のガスを排気することができ、この空間における圧力を適切な値に設定することができる。この圧力は、処理内容に応じて変更すればよいが、例えば、０．１Ｐａから１００Ｐａとすることができる。排気装置１４としては、ロータリポンプ、イオンポンプ、クライオスタット、ターボ分子ポンプなど真空系の装置で通常用いられるポンプを採用することができる。
　制御装置１２は、ガス源１０から発生したガスの流量を制御する流量コントローラ１１を制御している。流量コントローラ１１は、単なるバルブであってもよい。これにより、目的のガスを、処理容器１内に導入することができる。また、制御装置１２は、ＶＨＦ波発生器１３も制御している。ＶＨＦ波の周波数は、３０ＭＨｚ～３００ＭＨｚ程度である。
　ガス源１０に使用できるガスとしては、Ａｒ等の希ガスの他、ＣＦ４，Ｃ４Ｆ８などの炭素及びフッ素を含むガス、Ｎ２，Ｏ２などのガスなどが、一例として挙げられる。
　上部電極５及び下部電極６の材料としては、アルミニウムを用いることができる。上部誘電体７及び下部誘電体８の材料としては、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）を用いることができる。水平方向のＶＨＦ波導波路２の材料としては、空気を用いているが、導波路を形成することができれば、石英やアルミナなどの誘電体でもよい。
　下部誘電体８上に配置される基板としては、シリコンなどを用いることができ、この基板に対して、成膜やエッチングなどの処理を行うことができる。また、必要に応じて、静電チャックを設けたり、下部誘電体８に直流バイアス電位を印加したり、場合によっては、高周波電圧を上下の電極間に印加する構成も考えられ、処理容器の周囲に磁石を配置する構成も考えられる。
　次に、ガスの導入方法について説明する。
　水平方向のＶＨＦ波導波路２の上部側壁２ｗには、平面形状が円形の開口が設けられており、この開口内にガス導入通路２Ａが形成されている。すなわち、ＶＨＦ波導波路２に、貫通孔を形成する。この貫通孔の形状は、平面形状が円環状であり、この貫通孔内にアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）からなる絶縁体のリング状の管を配置し、ガス導入通路２Ａとする。外側導体３ａは、ＶＨＦ波導波路２の中央近傍に位置する。ガス導入通路２Ａには、適当なガス貯留空間を連通させておき、この空間からガス導入通路２Ａ内にガスを導入する。上部電極５には、内部に、ガス通路が形成されており、このガス通路と、ガス拡散板７Ａを介して、シャワー構造の上部誘電体７に至る。ガス拡散板７Ａは、ディフューザであり、複数の貫通孔が形成されている。ガス拡散板７Ａの材料は、ＡｌＮ、アルミナ、ＳｉＯ２などの絶縁体からなるが、メッシュ電極などから構成することも可能である。
　上述のように、上記プラズマ処理装置は、処理容器内に対向配置された上部電極５及び下部電極６と、上部電極５の下方に配置されたガス導入用の誘電体シャワーとを備え、上部電極５と下部電極６との間の空間にプラズマを発生させる。
　ここで、上部電極５上には絶縁体ブロック２Ｂが配置されている。上記のＶＨＦ波導波路２は、空気であって、処理容器１の上部構造において、処理容器１の側壁に設けられた凹部からなる導波路１ｗに連通する水平方向に延びた導波路２が配置されている。外側導体３ａと内側導体３ｂとの間に、リング状の絶縁体からなる絶縁体ブロック２Ｂを配置する。これにより、絶縁体ブロック２Ｂの上部から導入されたＶＨＦ波は、水平方向の導波路２を介して、垂直方向の導波路１ｗに至り、ＶＨＦ波導入部９を介して、処理容器内部に導入される。ＶＨＦ波はアルミナ等からなるガス導入通路２Ａも通過する。なお、絶縁体ブロック２ＢのＺ軸方向の厚みΔＺは、ＶＨＦ波の波長λ（本例では周波数換算で１２０ＭＨｚ～２４０ＭＨｚ）に対して、プラズマ負荷インピーダンスを変換するインピーダンス変換器として機能するように設定する。すなわち、絶縁体ブロック２ＢにおけるＶＨＦ波の実効波長をλとし、自然数Ｎを用いて、奇数を２Ｎ－１で示すと、絶縁体ブロック２ＢのＺ軸方向の厚みΔＺは、たとえば、ΔＺ＝（１／４）×λ×（２Ｎ－１）に設定することができる。
　このように、上記プラズマ処理装置は、ＶＨＦ波の電力伝送路中に配置されたインピーダンス変換部（絶縁体ブロック２Ｂ）を備えている。また、上記プラズマ処理装置は、インピーダンス変換部を介してＶＨＦ波を径方向の外側に伝搬させる伝送部（ＶＨＦ波導波路２）と、上部電極５の下方に設けられた上部誘電体７と、上部誘電体７の横方向端部の位置に設けられ、伝送部（ＶＨＦ波導波路２）からのＶＨＦ波が入力されるＶＨＦ波導入部９とを備えている。なお、インピーダンス変換部は、同軸管（３ａ，３ｂ）の特性インピーダンスと、アンテナ部（ブロック２Ｂ以降の導波路２、導入部９、上部誘電体７）のインピーダンスとを一致させている。
　ＶＨＦ波導入部９により、横方向のからＶＨＦ波がプラズマ発生空間ＳＰに導入されるため、この場合には、複数の方向からＶＨＦ波を導入することができ、ＶＨＦ波の定在波の発生が抑制され、したがって、プラズマの面内均一性を向上させることができる。ここで、インピーダンス変換部としての絶縁体ブロック２Ｂは、ＶＨＦ波の電力伝送路中に配置されているので、ＶＨＦ波を効率的にプラズマ発生空間内に導くことができ、効率的にプラズマを発生させることができる。
　絶縁体ブロック２Ｂは、セラミックスからなる。セラミックスは、誘電率が高いため、インピーダンス変換を容易に行うことができる。セラミックスの材料としては、アルミナが好適である。セラミックスの材料としては、ジルコニア、窒化珪素、炭化珪素、サイアロン等も知られている。また、絶縁体ブロック２Ｂは、上下方向に積層した複数の部品から構成することもできる。この場合、複数の部品を用いることで、インピーダンスの精密な調整を行うことができる。上下方向に積層した複数の部品としては、アルミナ等が例示される。
　図２は、プラズマ処理装置１００の装置構成（第２実施形態）を示す説明図である。なお、説明の便宜上、三次元直交座標系を設定する。プラズマ処理装置の鉛直方向をＺ軸方向とし、これに垂直な２方向をそれぞれＸ軸及びＹ軸とする。
　このプラズマ処理装置１００は、処理容器１内に対向配置された上部電極５及び下部電極６を備え、これらの電極間の空間ＳＰにプラズマを発生させるプラズマ処理装置を対象としている。上部電極５及び下部電極６は、それぞれ互いに対向する面に凹部５ｄ，６ｄを備えている。また、上部電極５及び下部電極６それぞれの凹部内には、上部誘電体７及び下部誘電体８がそれぞれ設けられ、上部誘電体７と下部誘電体８との間の空間ＳＰの横方向端部には、ＶＨＦ波導入部９が設けられている。
　処理容器１の上部開口端の近傍には、誘電体からなるＶＨＦ波導波路２が設けられている。ＶＨＦ波導波路２は、ここでの誘電体としては、空気を例示するが、その他、石英や、アルミナなどを誘電体として採用することができる。水平方向に延びたＶＨＦ波導波路２は、上部に導波管の側壁２ｗが位置している。処理容器の中央は開口しており、開口周囲の側壁が、同軸管の外側導体３ａを構成し、軸中心には内側導体３ｂが配置されている。なお、内側導体３ｂは、上部電極５に対して一体的に構成され、電気的に接続されている。
　上部電極５の下面には、すり鉢状の凹部５ｄが形成されており、この凹部５ｄ内に上部誘電体７（誘電体シャワー）が埋め込まれている。上部誘電体７の下部表面は平坦であり、ＸＹ平面に平行である。また、上部誘電体７及び上部電極５の平面形状（Ｚ軸方向から見た形状）は、円形である。上部誘電体７は、中央部では厚みが厚く、外周部では厚みが薄い。上部誘電体７の上部表面の中央領域は平坦でＸＹ平面に平行であり、最外領域も平坦でＸＹ平面に平行であるが、これらの間の領域は、円錐面であり、上部から下部に向けて平面形状の直径が大きくなる傾斜面からなる。
　下部電極６の上面には、すり鉢状の凹部６ｄが形成されており、この凹部６ｄ内に下部誘電体８が埋め込まれている。下部誘電体８の上部表面は平坦であり、ＸＹ平面に平行である。また、下部誘電体８及び下部電極６の平面形状（Ｚ軸方向から見た形状）は、円形である。下部誘電体８は、中央部では厚みが厚く、外周部では厚みが薄い。下部誘電体８の下部表面の中央領域は平坦でＸＹ平面に平行であり、最外領域も平坦でＸＹ平面に平行であるが、これらの間の領域は、円錐面であり、下部から上部に向けて平面形状の直径が大きくなる傾斜面からなる。
　水平方向のＶＨＦ波導波路２（伝送部）の中央部に導入されたＶＨＦ波は、水平方向に沿って放射状に周辺部に進行する。ＶＨＦ波導波路２は、ＶＨＦ波を径方向の外側に伝搬させる伝送部である。その後、このＶＨＦ波は、処理容器１の側壁に設けられた凹部（平面形状は円リング状で、深さはＺ軸方向）からなる導波路１ｗを下方に進行し、ＶＨＦ波導入部９に導入され、外周部から中央部に向けて進行する。ＶＨＦ波導入部９の平面形状は円リング状であり、水平方向の全方位から処理容器の軸中心に向けて、ＶＨＦ波が進行する。ＶＨＦ波導入部９は、プラズマ発生空間ＳＰの横方向に位置している。ＶＨＦ波導入部９は、上部誘電体７の横方向端部の位置に設けられ、上記の伝送部からのＶＨＦ波が入力される。ここでは、ＶＨＦ波導入部９は、上部誘電体７の側方端部に接触している。
　ＶＨＦ波発生器１３から発生したＶＨＦ波は、導波管を通って、水平方向のＶＨＦ波導波路２に導入される。その後、上述のように、上部電極５と下部電極６との間に、ＶＨＦ波導入部９から、ＶＨＦ波が導入されると、処理容器の内部のガスがプラズマ化し、プラズマが発生する。この場合、ＶＨＦ波導入部９は、横方向端部（水平方向端部）に位置しており、この空間内には、様々な横方向からＶＨＦ波が導入されるので、定在波が形成されにくいという利点がある。また、上部電極５と下部電極６との間に発生する電界ベクトルは、電極の外周領域では鉛直方向から下向き外側に向けて傾斜する傾向があるが、上部電極５及び下部電極６には、それぞれ凹部が設けられている。これらには、上部誘電体７及び下部誘電体８が設けられているので、これらの誘電体により、電界ベクトルを面内で均一にすることができる。したがって、横方向のＶＨＦ波導入と電界ベクトル方向の均一化により、上部電極５と下部電極６との間に発生するプラズマ分布を面内で均一にすることができる。
　なお、上部誘電体７及び下部誘電体８は、それぞれ、中央部の厚みよりも外周部の厚みが薄い。特に、誘電体が影響を与える電界ベクトルの向きと大きさは、その厚みにも依存するので、誘電体の外周部において、薄く設定することで、電界ベクトル強度の面内均一性を向上させることができる。また、上部誘電体７及び下部誘電体８において、プラズマ発生空間ＳＰとは反対側の面は、すり鉢状に傾斜している。この傾斜により、対応する電界ベクトルをより鉛直方向に向け、面内のプラズマ均一性を高めることができる。すなわち、上部誘電体７及び下部誘電体８には、電界ベクトルを曲げるレンズ機能がある。換言すれば、誘電体シャワーは、周辺領域に向かうにしたがって厚みが薄くなっている。この場合、周辺領域のＶＨＦ波の電界ベクトルが、中央領域と同じようになる傾向があり、電界ベクトルの面内均一性が高くなる。
　また、上部誘電体７及び下部誘電体８は、空間ＳＰを挟んで同軸配置されている。すなわち、電極間の軸が一致している方が、プラズマの面内均一性を高めることができるからである。また、上部誘電体７の半径と、下部誘電体８の半径との差の距離Δｘは、０に近い値の方が好ましい。プラズマ発生条件が対称になるため、プラズマの均一性が高まるからである。
　下部電極６は、駆動ステージＤＲＶによって上下方向に移動させることができる。これにより、最適な条件でプラズマを発生させることができる。また、下部電極６には、温度調節装置ＴＥＭＰが設けられている。温度調節装置ＴＥＭＰは、冷却媒体を流すための媒体通路と、ヒータと、温度センサとを含んでおり、制御装置１２によって、下部電極６が目的の温度となるように制御される。例えば、目標温度がＴ１℃であれば、温度センサの出力がＴ１℃よりも小さければ、ヒータを加熱し、Ｔ１℃よりも高ければ、ヒータを加熱しないで、冷却媒体を媒体通路に流すように、制御すればよい。
　制御装置１２は、排気装置１４も制御している。排気装置１４は、処理容器１の外壁内に設けられた円環状の排気通路４内のガスを排気する。排気通路４は、プラズマ発生空間ＳＰの横方向に設けられており、処理容器の内面において周方向に沿って設けられた複数の排気孔に連通している。これにより、プラズマ発生空間ＳＰ内のガスを排気することができ、この空間における圧力を適切な値に設定することができる。この圧力は、処理内容に応じて変更すればよいが、例えば、０．１Ｐａから１００Ｐａとすることができる。排気装置１４としては、ロータリポンプ、イオンポンプ、クライオスタット、ターボ分子ポンプなど真空系の装置で通常用いられるポンプを採用することができる。
　制御装置１２は、ガス源１０から発生したガスの流量を制御する流量コントローラ１１を制御している。流量コントローラ１１は、単なるバルブであってもよい。これにより、目的のガスを、処理容器１内に導入することができる。また、制御装置１２は、ＶＨＦ波発生器１３も制御している。ＶＨＦ波の周波数は、３０ＭＨｚ～３００ＭＨｚ程度である。
　ガス源１０に使用できるガスとしては、Ａｒ等の希ガスの他、ＣＦ４，Ｃ４Ｆ８などの炭素及びフッ素を含むガス、Ｎ２，Ｏ２などのガスなどが、一例として挙げられる。
　上部電極５及び下部電極６の材料としては、アルミニウムを用いることができる。上部誘電体７及び下部誘電体８の材料としては、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）を用いることができる。水平方向のＶＨＦ波導波路２の材料としては、空気を用いているが、導波路を形成することができれば、石英やアルミナなどの誘電体でもよい。
　下部誘電体８上に配置される基板としては、シリコンなどを用いることができ、この基板に対して、成膜やエッチングなどの処理を行うことができる。また、必要に応じて、静電チャックを設けたり、下部誘電体８に直流バイアス電位を印加したり、場合によっては、高周波電圧を上下の電極間に印加する構成も考えられ、処理容器の周囲に磁石を配置する構成も考えられる。
　次に、ガスの導入方法について説明する。
　水平方向のＶＨＦ波導波路２の上部側壁２ｗには、平面形状が円形の開口が設けられており、この開口内にガス導入通路２Ａが形成されている。すなわち、ＶＨＦ波導波路２に、貫通孔を形成する。この貫通孔の形状は、平面形状が円環状であり、この貫通孔内にアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）からなる絶縁体のリング状の管を配置し、ガス導入通路２Ａとする。外側導体３ａは、ＶＨＦ波導波路２の中央近傍に位置する。ガス導入通路２Ａには、適当なガス貯留空間を連通させておき、この空間からガス導入通路２Ａ内にガスを導入する。上部電極５には、内部に、ガス通路が形成されており、このガス通路と、ガス拡散板７Ａを介して、シャワー構造の上部誘電体７に至る。ガス拡散板７Ａは、ディフューザであり、複数の貫通孔が形成されている。ガス拡散板７Ａの材料は、ＡｌＮ、アルミナ、ＳｉＯ２などの絶縁体からなるが、メッシュ電極などから構成することも可能である。
　上述のように、上記プラズマ処理装置は、処理容器内に対向配置された上部電極５及び下部電極６と、上部電極５の下方に配置されたガス導入用の誘電体シャワーとを備え、上部電極５と下部電極６との間の空間にプラズマを発生させる。
　ここで、上部電極５上には絶縁体ブロック２Ｂが配置されている。上記のＶＨＦ波導波路２は、空気であって、処理容器１の上部構造において、処理容器１の側壁に設けられた凹部からなる導波路１ｗに連通する水平方向に延びた導波路２が配置されている。外側導体３ａと内側導体３ｂとの間に、リング状の絶縁体からなる絶縁体ブロック２Ｂを配置する。これにより、絶縁体ブロック２Ｂの上部から導入されたＶＨＦ波は、水平方向の導波路２を介して、垂直方向の導波路１ｗに至り、ＶＨＦ波導入部９を介して、処理容器内部に導入される。ＶＨＦ波はアルミナ等からなるガス導入通路２Ａも通過する。なお、絶縁体ブロック２ＢのＺ軸方向の厚みΔＺは、ＶＨＦ波の波長λ（本例では周波数換算で１２０ＭＨｚ～２４０ＭＨｚ）に対して、プラズマ負荷インピーダンスを変換するインピーダンス変換器として機能するように設定する。すなわち、絶縁体ブロック２ＢにおけるＶＨＦ波の実効波長をλとし、自然数Ｎを用いて、奇数を２Ｎ－１で示すと、絶縁体ブロック２ＢのＺ軸方向の厚みΔＺは、たとえば、ΔＺ＝（１／４）×λ×（２Ｎ－１）に設定することができる。
　このように、上記プラズマ処理装置は、ＶＨＦ波の電力伝送路中に配置されたインピーダンス変換部（絶縁体ブロック２Ｂ）を備えている。また、上記プラズマ処理装置は、インピーダンス変換部を介してＶＨＦ波を径方向の外側に伝搬させる伝送部（ＶＨＦ波導波路２）と、上部電極５の下方に設けられた上部誘電体７と、上部誘電体７の横方向端部の位置に設けられ、伝送部（ＶＨＦ波導波路２）からのＶＨＦ波が入力されるＶＨＦ波導入部９とを備えている。
　ＶＨＦ波導入部９により、横方向のからＶＨＦ波がプラズマ発生空間ＳＰに導入されるため、この場合には、複数の方向からＶＨＦ波を導入することができ、ＶＨＦ波の定在波の発生が抑制され、したがって、プラズマの面内均一性を向上させることができる。ここで、インピーダンス変換部としての絶縁体ブロック２Ｂは、ＶＨＦ波の電力伝送路中に配置されているので、ＶＨＦ波を効率的にプラズマ発生空間内に導くことができ、効率的にプラズマを発生させることができる。
　絶縁体ブロック２Ｂは、セラミックスからなる。セラミックスは、誘電率が高いため、インピーダンス変換を容易に行うことができる。セラミックスの材料としては、アルミナが好適である。セラミックスの材料としては、ジルコニア、窒化珪素、炭化珪素、サイアロン等も知られている。また、絶縁体ブロック２Ｂは、上下方向に積層した複数の部品から構成することもできる。この場合、複数の部品を用いることで、インピーダンスの精密な調整を行うことができる。上下方向に積層した複数の部品としては、アルミナ等が例示される。
　図３は別の形態のプラズマ処理装置の縦断面構造（第３実施形態）を説明するための図である。
　図３のプラズマ処理装置は、水平方向のＶＨＦ波導波路２の誘電体を、空気に代えて、石英などの固体誘電体２Ｓにしたものである。その他の点は、上記と同一である。固体誘電体２Ｓは、上部電極５と上部の側壁２ｗとの間に位置している。
　図４は別の形態のプラズマ処理装置の縦断面構造（第４実施形態）を説明するための図である。
　図４のプラズマ処理装置は、図１のＶＨＦ波導入部９の位置を、少し下方に移動させたものである。その他の点は、図２と同一である。すなわち、上部誘電体７の下部表面からＶＨＦ波導入部９までの鉛直方向の離間距離Δｚｕｐと、下部誘電体８の上部表面からＶＨＦ波導入部９までの鉛直方向の離間距離Δｚｄｏｗｎとは等しい。これらの距離が、等しい場合には、ＶＨＦ波導入位置からのそれぞれの誘電体への距離が等しくなるので、ＶＨＦ波に起因したプラズマは、鉛直方向において、均一になる傾向がある。なお、上部誘電体７と下部誘電体８との間の距離Δｚは、均一なプラズマを発生させる観点からは、例えば、５ｍｍ～８０ｍｍであることが好ましい。
　図５は誘電体内のＶＨＦ波の伝搬を説明するための図である。
　図１の構造の場合、各種の誘電体要素ＤＥｎ（ｎ＝１～ｋ）において、インピーダンス変換部を用いることにより、プラズマ発生空間ＳＰ内に至るまでのＶＨＦ波の導入効率の向上を図っている。上記構造の場合、ＶＨＦ波は、空気（ＡＩＲ）、誘電体要素ＤＥ１（絶縁体ブロック２Ｂ：Ａｌ２Ｏ３）、誘電体要素ＤＥ２（空気）、誘電体要素ＤＥ３（ガス導入通路２Ａの側壁：Ａｌ２Ｏ３）、誘電体要素ＤＥ４（ガス導入通路２Ａの内部：空気）、誘電体要素ＤＥ５（ガス導入通路２Ａの側壁：Ａｌ２Ｏ３）、誘電体要素ＤＥ６（ガス導入通路２Ａの後の水平方向のＶＨＦ波の導波路：空気）、誘電体要素ＤＥ７（垂直方向のＶＨＦ波の導波路１ｗ：空気）、誘電体要素ＤＥ８（ＶＨＦ波導入部９：Ａｌ２Ｏ３）を経て、プラズマ処理空間ＳＰ（空気と仮定）に至る。
　誘電体要素ＤＥｎ（ｎ＝１～ｋ）を用いた場合、各要素におけるＶＨＦ波の伝播方向に沿った長さをＬｎ（ｎ＝１～ｋ）、各誘電体要素内におけるＶＨＦ波の実効波長をλｎ（ｎｍ）とすると、Ｌｎは、上述のΔＺの場合と同様に考えればよい。たとえば、インピーダンス変換部からＶＨＦ波導入部に至る各誘電体要素ＤＥｎの各長さＬｎは、Ｌｎ＝（１／４）×λｎ×（２Ｎ－１）に設定することができる。
　図６は、ＶＨＦ波の周波数（ＭＨｚ）と絶縁体ブロックによる反射係数Γとの関係を示すグラフである。
　絶縁体ブロック２Ｂの材料はアルミナ、Ｚ軸方向の厚みは８０ｍｍ、径方向の距離は７４ｍｍに設定した。ＶＨＦ波の周波数を１８０ＭＨｚとした場合、空気を経て絶縁体ブロック２Ｂに導入されるＶＨＦ波の反射係数Γは、０．７４となる。グラフ内では反射係数Γは極小値を有するが、ＶＨＦ波の周波数は、プラズマの発生条件により拘束されているので、１８０ＭＨｚの場合には、図１の構造において、反射係数λは０．７４である。以上、説明したように、上述のプラズマ処理装置では、効率的にＶＨＦ波を処理容器内に導入しつつ、プラズマの面内均一性を向上させることができる。
　ＤＲＶ…駆動ステージ、ＳＰ…プラズマ発生空間、ＴＥＭＰ…温度調節装置、１…処理容器、１ｗ…導波路、２…ＶＨＦ波導波路、２Ｂ…絶縁体ブロック、２ｗ…導波路、３ａ…外側導体、３ｂ…内側導体、４…排気通路、５…上部電極、５ｄ…凹部、６ｄ…凹部、６…下部電極、７…上部誘電体（誘電体シャワー）、７Ａ…ガス拡散板、８…下部誘電体、９…ＶＨＦ波導入部、１０…ガス源、１１…流量コントローラ、１２…制御装置、１３…ＶＨＦ波発生器、１４…排気装置、１００…プラズマ処理装置。

Claims (3)

  1. 　処理容器内に対向配置された上部電極及び下部電極を備え、これらの電極間の空間にプラズマを発生させるプラズマ処理装置において、
    　ＶＨＦ波の電力伝送路中に配置されたインピーダンス変換部と、
    　前記インピーダンス変換部を介してＶＨＦ波を径方向の外側に伝搬させる伝送部と、
    　前記上部電極の下方に設けられた上部誘電体と、
    　前記上部誘電体の横方向端部の位置に設けられ、前記伝送部からのＶＨＦ波が入力されるＶＨＦ波導入部と、
    を備えることを特徴とするプラズマ処理装置。
  2. 　前記インピーダンス変換部は、セラミックスからなる、
    ことを特徴とする請求項１に記載のプラズマ処理装置。
  3. 　インピーダンス変換部は、上下方向に積層した複数の部品から構成されている、
    ことを特徴とする請求項１又は２に記載のプラズマ処理装置。
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