WO2020203406A1 - プラズマ処理方法及びプラズマ処理装置 - Google Patents

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WO2020203406A1
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plasma processing
plasma
dielectric window
electromagnetic wave
stage
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PCT/JP2020/012686
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英紀 鎌田
佐藤　幹夫
池田　太郎
伸彦 山本
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東京エレクトロン株式会社
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Definitions

  • the present disclosure relates to a plasma processing method and a plasma processing apparatus.
  • Patent Document 1 describes a processing chamber for generating plasma, a vacuum window forming a part of a wall of the processing chamber, and at least two for generating plasma in the processing chamber arranged outside the dielectric thereof.
  • An inductive antenna composed of more than one system, a high-frequency power supply for passing current independently to each system in the inductive antenna, and a phase circuit that temporally controls the current phase or current value of the high-frequency power supply of each system. It is equipped with a control unit consisting of a control device and the like.
  • the control unit of Patent Document 1 continuously time-modulates the phase difference between the currents flowing in each system or the current value within the processing time of the sample, and moves the plasma generation position to move the ion incident on the wafer. We propose to make the incident angle uniform in the wafer plane.
  • Patent Document 2 is a method of modifying the reaction rate on a semiconductor substrate in a processing chamber by using a phased array microwave antenna, in which plasma is excited in the processing chamber and the phased array of the microwave antenna is used. It is proposed to radiate a microwave radiation beam from the antenna and direct the beam to the plasma so as to change the reaction rate on the surface of the semiconductor substrate in the processing chamber.
  • Patent Document 3 discloses an electric field for radiating microwaves output from a microwave output unit from an antenna into a chamber and generating surface wave plasma in a dielectric member that transmits the microwaves radiated from the antenna. It is proposed to form. Patent Document 3 controls at least one of the power of the microwave and the phase of the microwave radiated to the microwave radiation mechanism based on the electron temperature Te of the plasma and the electron density Ne of the plasma.
  • the present disclosure provides a plasma processing method and a plasma processing apparatus capable of changing the electric field distribution in a dielectric window regardless of the arrangement of a plurality of electromagnetic wave emitting means.
  • a method of plasma processing in a plasma processing apparatus having a dielectric window to be arranged wherein at least one of the phases of a step of preparing a substrate on the stage and a plurality of the electromagnetic waves radiated from the plurality of radiation units is set.
  • the substrate is radiated by a step of controlling, a step of radiating a plurality of the electromagnetic waves from the plurality of the radiating portions into the chamber, and a local plasma generated from a gas supplied between the dielectric window and the stage.
  • a plasma processing method comprising a step of processing is provided.
  • the electric field distribution in the dielectric window can be changed regardless of the arrangement of a plurality of electromagnetic wave emitting means.
  • the cross-sectional schematic diagram which shows an example of the plasma processing apparatus which concerns on a comparative example.
  • the cross-sectional schematic diagram which shows an example of the plasma processing apparatus which concerns on one Embodiment.
  • the flowchart which shows an example of the plasma processing method which concerns on one Embodiment.
  • FIG. 1A is a schematic cross-sectional view showing an example of the plasma processing apparatus 20 according to the comparative example
  • FIG. 1B is a schematic cross-sectional view showing an example of the plasma processing apparatus 10 according to the embodiment.
  • the plasma processing devices 10 and 20 will be described by taking the microwave plasma processing device as an example.
  • the plasma processing device 20 according to the comparative example of FIG. 1A (a) does not have a phase device.
  • the plasma processing apparatus 10 according to the embodiment of FIG. 1B (a) has a chamber 1 for accommodating the wafer W.
  • the plasma processing apparatus 10 performs a predetermined plasma treatment such as a film forming treatment or an etching treatment on the wafer W by using the surface wave plasma formed by the microwave.
  • Chamber 1 is a substantially cylindrical processing container and is grounded.
  • the upper opening provided in the ceiling is closed by the top plate 9, whereby the inside can be kept airtight.
  • the chamber 1 and the top plate 9 are formed of a metal material such as aluminum or stainless steel.
  • a stage 3 on which the wafer W is placed is supported by a tubular support member 4 erected via an insulating member in the center of the bottom portion in the chamber 1.
  • Examples of the material constituting the stage 3 include a metal such as aluminum whose surface is anodized (anodized) and an insulating member (ceramics and the like) having an electrode for high frequency inside.
  • the stage 3 may be provided with an electrostatic chuck for electrostatically adsorbing the wafer W, a temperature control mechanism, a gas flow path for supplying a gas for heat transfer to the back surface of the wafer W, and the like.
  • a high frequency bias power supply may be electrically connected to the stage 3 via a matching device. By supplying high-frequency power to the stage 3 from the high-frequency bias power supply, ions in the plasma are drawn into the wafer W side.
  • the high frequency bias power supply may not be provided depending on the characteristics of plasma processing.
  • An exhaust pipe is connected to the bottom of the chamber 1, and an exhaust device including a vacuum pump is connected to the exhaust pipe.
  • an exhaust device including a vacuum pump is connected to the exhaust pipe.
  • the side wall of the chamber 1 is provided with an carry-in outlet for carrying in and out the wafer W and a gate valve for opening and closing the carry-in outlet.
  • the top plate 9 is provided with seven electromagnetic wave emitting means 2 that radiate microwaves in the chamber 1 (only three electromagnetic wave emitting means 2 are shown in FIG. 1B (a)).
  • FIG. 2 shows an example of the electromagnetic wave radiating means 2.
  • the electromagnetic wave emitting means 2 has a coaxial cable shape, and has an inner conductor 121, an outer conductor 122 outside the inner conductor 121, and a dielectric material 123 such as Teflon (registered trademark) provided between them.
  • the tip of the electromagnetic wave radiating means 2 constitutes a monopole antenna 11 composed of an internal conductor 121 protruding by the length D.
  • the monopole antenna 11 radiates by exposing the internal conductor 121 from the end surface of the dielectric 123 to the internal space of the chamber 1 at the same height as the back surface 9a of the top plate 9 of the chamber 1 to form the radiation portion 125. Microwaves are radiated into chamber 1 from section 125.
  • the length D of the radiation unit 125 changes depending on the frequency of the electromagnetic wave. For example, when the frequency of the microwave is 300 MHz to 3 GHz, the length D is several tens of mm to several 100 mm.
  • the internal conductor 121 may be configured so as not to protrude from the dielectric 123. In this case, a notch portion in which the outer conductor 122 does not exist is formed at the tip of the electromagnetic wave emitting means 2, and microwaves are radiated into the chamber 1 from the radiation port at the tip of the inner conductor 121 through the notch.
  • the microwave is output from the microwave output unit 6, the phase is controlled by the phase device 7 according to the control of the control device 8, and then the microwave is radiated into the chamber 1.
  • the number of electromagnetic wave emitting means 2 is not limited to 7, and may be 2 or more, preferably 3 or more.
  • the distance E from the center of the electromagnetic wave emitting means 2 to the center of the adjacent electromagnetic wave emitting means 2 is regularly arranged at approximately equal intervals so as to be smaller than 1/2 of the wavelength ⁇ of the microwave. They are lined up.
  • the dielectric window 5 is arranged so as to be separated from the plurality of radiating portions 125 and the stage 3.
  • the dielectric window 5 is a partition plate that divides the inside of the chamber 1 into a space V above the dielectric window 5 and a space U below it.
  • the dielectric window 5 is formed of, for example, ceramics such as quartz and alumina (Al 2 O 3 ), a fluorine-based resin such as polytetrafluoroethylene, and a polyimide-based resin.
  • the space V under the electromagnetic wave radiating means 2 there is a free space of about several tens of mm to several hundreds of mm, and plasma is generated in the space U through the dielectric window 5 installed below the free space.
  • the vertical distance H between the back surface 9a of the top plate 9 and the upper surface of the dielectric window 5 is larger than ⁇ / 4 with respect to the wavelength ⁇ of the microwave.
  • a plurality of microwaves radiated from the seven electromagnetic wave emitting means 2 propagate in the space V.
  • Space V is an atmospheric space
  • space U is a vacuum space.
  • the plasma processing device 10 has a control device 8.
  • the control device 8 may be a computer including a processor, a storage unit such as a memory, an input device, a display device, a signal input / output interface, and the like.
  • the control device 8 controls each part of the plasma processing device 10.
  • the operator can perform a command input operation or the like in order to manage the plasma processing device 10 by using the input device.
  • the control program and the recipe data are stored in the storage unit.
  • the control program is executed by the processor in order to execute various processes in the plasma processing device 10.
  • the processor executes a control program and controls each part of the plasma processing device 10 according to the recipe data.
  • the processor of the control device 8 controls the phase device 7 provided for each electromagnetic wave emitting means 2 and controls the phase of the microwave emitted from the emitting unit 125.
  • the wafer W is carried into the chamber 1 from the opened gate valve through the carry-in / outlet while being held on the transport arm.
  • the gate valve is closed after the wafer W is carried in.
  • the wafer W is conveyed above the stage 3, the wafer W is moved from the transfer arm to the pusher pin, and the pusher pin is lowered to be placed on the stage 3.
  • the pressure inside the chamber 1 is maintained at a predetermined degree of vacuum by the exhaust device.
  • a predetermined gas is introduced into the space U under the dielectric window 5.
  • Phase-controlled microwaves are emitted from the seven electromagnetic wave emitting means 2 (monopole antenna 11). As a result, the electric field is strengthened at a predetermined position of the dielectric window 5, and the distribution of plasma when the gas is turned into plasma can be controlled.
  • a predetermined plasma treatment is applied to the wafer W by the generated plasma.
  • the phases of the microwaves radiated from the seven electromagnetic wave radiating means 2 are the same, as shown by the curve of the thick line on the electromagnetic wave radiating means 2. .. Therefore, in the plasma processing apparatus 20 according to the comparative example, when the plasma is generated under the dielectric window 5 by the electric field of the microwave, the electric field distribution is affected by the arrangement pattern of the seven electromagnetic wave radiating means 2. As a result, as shown in FIG. 1A (b), the strength of the plasma distribution is increased or decreased according to the arrangement pattern of the electromagnetic wave emitting means 2. That is, the plasma treatment on the wafer W tends to be non-uniform due to the influence of the arrangement pattern of the electromagnetic wave emitting means 2.
  • the arrangement pattern of the electromagnetic wave radiating means 2 is a physical arrangement, and it is difficult to change from a preset arrangement. Therefore, in the present embodiment, the plasma processing apparatus 10 and the plasma processing method capable of controlling the plasma distribution by changing the electric field distribution in the dielectric window 5 are provided regardless of the arrangement of the plurality of electromagnetic wave emitting means 2. ..
  • the phase of the microwave emitted from each of the seven electromagnetic wave radiating means 2 using the phase device 7 is controlled by the control device 8. Be controlled.
  • the microwaves input from each of the seven electromagnetic wave radiating means 2 cause interference, and the electric field strength can be increased at an arbitrary location. This makes it possible to control the advanced plasma distribution by centrally generating plasma.
  • the microwave propagating in the space V causes interference due to the phase control of the microwaves input from the seven electromagnetic wave emitting means 2, and the electric field of the microwave is on the left side of the dielectric window 5. Increased strength. As a result, as shown in FIG. 1B (b), plasma can be concentrated and generated on the left side of the wafer W.
  • FIG. 3 is a diagram for explaining phase control using the phase device 7 performed by the control device 8 provided in the plasma processing device 10 according to the embodiment.
  • FIG. 3A shows the relationship between the microwave radiated from one of the electromagnetic wave radiating means 2 (in this example, the electromagnetic wave radiating means 2a) and the focal position O at which the electric field is desired to be concentrated in the dielectric window 5. Is shown.
  • ⁇ (x) indicates the phase of the electromagnetic wave (microwave in this embodiment) radiated from the position x of the radiant point.
  • the equation (2) for obtaining the phase ⁇ (x) of the electromagnetic wave can be obtained.
  • Equation (2) draws the curve of FIG. 3 (b).
  • the conditions for strengthening the phases of the microwaves radiated from the two or more electromagnetic wave emitting means 2 at the focal position O will be described with reference to FIG. 3 (c).
  • the seven electromagnetic wave radiating means 2 are defined as the electromagnetic wave radiating means 2a, 2b, 2c, 2d, 2e, 2f, and 2g.
  • the electromagnetic wave radiating means 2 is separated from the actual positional relationship. Shown side by side.
  • the control unit 8 In the control of electromagnetic radiation means 2a ⁇ 2 g according to this embodiment, the control unit 8, the distance from the position x a ⁇ x g for each radiation point of the microwave radiated from the electromagnetic wave emitting means 2a ⁇ 2 g to the focal position O In, the phases ⁇ (x a ) to ⁇ (x g ) of each microwave emitted from the electromagnetic wave emitting means 2a to 2g are controlled so as to match the phases at the focal position O.
  • the phase ⁇ (x) of the microwave emitted from the electromagnetic wave emitting means 2a to 2g must control the phase.
  • a shift occurs at the focal position O.
  • all microwaves at the focal position O are controlled by controlling the phases ⁇ (x a ) to ⁇ (x g ) of the microwaves radiated from the electromagnetic wave emitting means 2a to 2g.
  • the phases of the microwaves radiated from the electromagnetic wave emitting means 2a, 2b, and 2c shown in FIG. 3C are antinodes and antinodes, and nodes and nodes are matched, so that the conditions are such that the phases of the microwaves are strengthened. There is. However, even if the phases of the microwaves radiated from the electromagnetic wave radiating means 2a, 2b, and 2c are controlled to strengthen each other, at least one of the phases of the microwaves radiated from the electromagnetic wave radiating means 2d to 2g is weakened. In some cases, the phase of the seven microwaves may not be strengthened at the focal position O.
  • the phase of the microwaves radiated from the electromagnetic wave emitting means 2d, 2e, 2f, and 2g is also controlled under the condition of strengthening the microwaves.
  • the phase of each microwave is controlled under the condition that the phases of the seven microwaves are strengthened at the focal position O of the dielectric window 5, whereby the electric field of the microwave can be controlled to be concentrated at the focal position O.
  • control for strengthening the phases of the microwaves at the focal position O is performed for at least two microwaves output from the electromagnetic wave emitting means 2a to 2g, and the focal position for all seven microwaves. It is not necessary to perform control for strengthening the phases in O. For example, there may be one or more electromagnetic wave radiating means 2 that do not control the phase of microwaves. Further, in the above description, the focal position O in the dielectric window 5 is one, but the present invention is not limited to this, and control is performed to strengthen the phases at two or more focal positions O in the dielectric window 5 at the same timing. You may.
  • the distance E from the center of one electromagnetic wave radiating means 2 to the center of the adjacent electromagnetic wave radiating means 2 is smaller than ⁇ / 2. If the distance E (interval) between the adjacent electromagnetic wave emitting means 2 is larger than ⁇ / 2, the microwave cannot be focused on the focal position O of the dielectric window 5, and the phases of the microwaves are strengthened at the focal position O. This is because it cannot be controlled.
  • Condensing by phase control described above does not involve mechanical operation, so it can be controlled at high speed.
  • the phase control of the plurality of electromagnetic wave emitting means 2 can be controlled at high speed.
  • plasma can be uniformly generated in the space U under the dielectric window 5.
  • FIG. 4 is a diagram showing an example of phase control by the control device 8 according to the embodiment.
  • the control device 8 uses the phase device 7 (only one is shown in FIG. 4) to emit microwaves from the seven electromagnetic wave emitting means 2a, 2b, 2c, 2d, 2e, 2f, and 2g, respectively.
  • the phases ⁇ (x a ) to ⁇ (x g ) of the wave are controlled so as to strengthen each other at the focal position C.
  • the electric field of the microwave is controlled to be strong at the condensing portion Ar centered on the focal position C.
  • the control device 8 uses the phase device 7 to scan the surface of the dielectric window 5 in the radial direction L1 or the circumferential direction L2 or the like so that the microwave phases ⁇ (x a ) to ⁇ (x g ). ) Is controlled at high speed. As a result, plasma can be uniformly generated in the space U under the dielectric window 5 by moving the focal position C and the condensing portion Ar at high speed.
  • control device 8 changes the moving speed of the condensing portion Ar by changing the speed of controlling the phases ⁇ (x a ) to ⁇ (x g ) of the microwave using the phase device 7.
  • the average electric field distribution per unit time can be freely controlled.
  • the speed at which ⁇ (x g ) is controlled may be changed.
  • the electric field strength on the outer peripheral side of the dielectric window 5 can be made stronger than the electric field strength on the inner peripheral side.
  • the plasma distribution can be freely controlled, such as controlling the plasma density on the outer peripheral side under the dielectric window 5 to be higher than the plasma density on the inner circumference.
  • FIG. 5 is a flowchart showing an example of the plasma processing method according to the embodiment. This process is controlled by the control device 8.
  • control device 8 When this process is started, the control device 8 carries the wafer W into the chamber and places it on the stage 3 to prepare the wafer W (step S1). Next, the control device 8 supplies a predetermined gas from the gas supply unit (step S2). Next, the control device 8 outputs microwaves from the microwave output unit 6 (step S3).
  • the control device 8 uses the phase device 7 to control the phase of each microwave emitted from the seven electromagnetic wave radiating means 2, and each electromagnetic wave radiating means 2 whose phase is controlled. Radiates into the chamber 1 from the radiating portion 125 of the above (step S4). As a result, the phase-controlled microwaves interfere with each other in the space V, and the microwaves can be focused at a predetermined position of the dielectric window 5. As a result, a local plasma is generated in the space U between the dielectric window 5 and the stage 3, and the generated local plasma is used to perform a predetermined plasma treatment on the wafer W.
  • control device 8 determines whether to end the plasma processing on the wafer W (step S5).
  • the control device 8 controls the phases of the microwaves output from the seven electromagnetic wave radiating means 2 according to the time until it is determined that the end time of the plasma processing on the wafer W has come (step S4).
  • the control device 8 ends the main processing. At the end of this process, the microwave output is stopped and the gas supply is stopped.
  • FIG. 6A the electric field distribution in the dielectric window 5 according to the embodiment when the control device 8 controls the phase of the microwave output from the electromagnetic wave emitting means 2 of 19 by using the phase device 7.
  • FIGS. 6B and 6C An example of the simulation result of is shown in FIGS. 6B and 6C.
  • the conditions for this simulation were set so that microwaves of the same power were radiated from 19 electromagnetic wave emitting means 2.
  • the electric field strength of the microwaves shown in FIGS. 6A, 6B and 6C indicates a state in which the electric field strength is higher in the dark portion.
  • phase of each microwave emitted from the electromagnetic wave emitting means 2 of 19 was controlled by the phase device 7 so that the condensing portion Ar having a strong microwave electric field was moved toward the center in the radial direction.
  • An example of the simulation result of the electric field distribution in the dielectric window 5 at that time is shown in FIG. 6C. According to this, it was possible to move the portion where the electric field of the microwave is strong to the condensing portion Ar centered on the focal position C2. By such a simulation, it was confirmed that free focusing control by phase control is possible.
  • the electric field distribution in the dielectric window 5 can be changed regardless of the arrangement of the plurality of electromagnetic wave radiating means 2. As a result, free focusing control by phase control becomes possible, and the plasma distribution can be freely controlled.
  • the plasma processing device 10 of the present disclosure has been described by taking as an example a plasma processing device that emits microwaves, but the present invention is not limited to this.
  • the plurality of electromagnetic wave emitting means 2 included in the plasma processing apparatus 10 of the present disclosure is not limited to microwaves, and may radiate electromagnetic waves having a frequency of 100 MHz or more, such as UHF.
  • the electromagnetic wave emitting means 2 more preferably emits an electromagnetic wave having a frequency in the range of 1 GHz to 3 GHz. The higher the frequency, the faster the phase control becomes possible.
  • the space V above the dielectric window 5 is an atmospheric space, but the space V is not limited to this.
  • the space V above the dielectric window 5 may be filled with a dielectric material of the same material as or different from that of the dielectric window 5. Since the wavelength of the microwave propagating in the dielectric can be shortened by filling the space V with the dielectric, the plasma processing apparatus 10 can be miniaturized.
  • the space V above the dielectric window 5 is an atmospheric space, but the space V may be a vacuum space.
  • the space V may be a vacuum space.
  • phase control is performed in the vacuum space, and plasma may be generated in the space V.
  • the space V above the dielectric window 5 is an atmospheric space.
  • the microwave can be sufficiently focused by the dielectric window 5.
  • Electromagnetic wave emitting means 3 Stage 5 Dielectric window 6 Microwave output unit 7 Phaser 8 Control device 9 Top plate 10 Plasma processing device 11 Monopole antenna 121 Internal conductor 122 External conductor 124 Notch 125 Radiating part

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Abstract

チャンバと、前記チャンバ内にて基板を載置するステージと、複数の電磁波を放射する複数の放射部と、複数の前記放射部と前記ステージとの間に配置される誘電体窓と、を有するプラズマ処理装置におけるプラズマ処理方法であって、基板を前記ステージに準備する工程と、複数の前記放射部から放射する複数の前記電磁波の少なくともいずれかの位相を制御する工程と、複数の前記電磁波を複数の前記放射部から前記チャンバ内に放射する工程と、前記誘電体窓と前記ステージとの間に供給されたガスから生成された局所プラズマにより前記基板を処理する工程と、を有する、プラズマ処理方法が提供される。

Description

プラズマ処理方法及びプラズマ処理装置
　本開示は、プラズマ処理方法及びプラズマ処理装置に関する。
　電磁波のパワーによりガスをプラズマ化し、ウェハにプラズマ処理を行うプラズマ処理装置が知られている。例えば、特許文献１は、プラズマを生成する処理室と、処理室の壁の一部を構成する真空窓と、その誘電体の外側に配置された、処理室内にプラズマを生成するための少なくとも２系統以上で構成された誘導アンテナと、誘導アンテナには各系統に独立して電流を流すための高周波電源と、各系統の高周波電源の電流の位相、又は電流値を時間的に制御する位相回路や制御装置などからなる制御部を備える。特許文献１の制御部は、試料の処理時間内に各系統に流れる電流間の位相差、又は電流値を連続的に時間変調し、プラズマ生成位置を移動させることで、ウェハに入射するイオンの入射角をウェハ面内で一様にすることを提案する。
　例えば、特許文献２は、フェーズドアレイのマイクロ波アンテナを用いて処理チャンバ内の半導体基板上での反応速度を修正する方法であって、処理チャンバ内でプラズマを励起し、マイクロ波アンテナのフェーズドアレイからマイクロ波放射ビームを放射し、処理チャンバ内の半導体基板の表面上での反応速度を変化させるように、ビームをプラズマに方向付けることを提案している。
　例えば、特許文献３は、マイクロ波出力部から出力されたマイクロ波をアンテナからチャンバの内部に放射し、前記アンテナから放射したマイクロ波を透過する誘電体部材に表面波プラズマを生成するための電界を形成することを提案する。特許文献３は、プラズマの電子温度Ｔｅ及びプラズマの電子密度Ｎｅに基づき、マイクロ波放射機構に放射されるマイクロ波のパワー及びマイクロ波の位相の少なくともいずれかを制御する。
特開２０１５－５３１７２号公報 特開２０１７－１０３４５４号公報 特開２０１８－１８１６３４号公報
　本開示は、複数の電磁波放射手段の配置によらず、誘電体窓における電界分布を変えることが可能なプラズマ処理方法及びプラズマ処理装置を提供する。
　本開示の一の態様によれば、チャンバと、前記チャンバ内にて基板を載置するステージと、複数の電磁波を放射する複数の放射部と、複数の前記放射部と前記ステージとの間に配置される誘電体窓と、を有するプラズマ処理装置におけるプラズマ処理方法であって、基板を前記ステージに準備する工程と、複数の前記放射部から放射する複数の前記電磁波の少なくともいずれかの位相を制御する工程と、複数の前記電磁波を複数の前記放射部から前記チャンバ内に放射する工程と、前記誘電体窓と前記ステージとの間に供給されたガスから生成された局所プラズマにより前記基板を処理する工程と、を有する、プラズマ処理方法が提供される。
　一の側面によれば、複数の電磁波放射手段の配置によらず、誘電体窓における電界分布を変えることができる。
比較例に係るプラズマ処理装置の一例を示す断面模式図。 一実施形態に係るプラズマ処理装置の一例を示す断面模式図。 一実施形態に係る電磁波放射手段の一例を示す図。 一実施形態に係る位相制御を説明するための図。 一実施形態に係る制御装置による位相制御の一例を示す図。 一実施形態に係るプラズマ処理方法の一例を示すフローチャート。 一実施形態に係る誘電体窓における電界分布の一例を示す図。 一実施形態に係る誘電体窓における電界分布の一例を示す図。 一実施形態に係る誘電体窓における電界分布の一例を示す図。
　以下、図面を参照して本開示を実施するための形態について説明する。各図面において、同一構成部分には同一符号を付し、重複した説明を省略する場合がある。
　［プラズマ処理装置］
　一実施形態に係るプラズマ処理装置１０について、図１Ａ及び図１Ｂを用いて説明する。図１Ａは、比較例に係るプラズマ処理装置２０の一例を示す断面模式図であり、図１Ｂは、一実施形態に係るプラズマ処理装置１０の一例を示す断面模式図である。プラズマ処理装置１０、２０は、マイクロ波プラズマ処理装置を一例に挙げて説明する。図１Ａ（ａ）の比較例に係るプラズマ処理装置２０は位相器を有しない。
　図１Ｂ（ａ）の一実施形態に係るプラズマ処理装置１０は、ウェハＷを収容するチャンバ１を有する。プラズマ処理装置１０は、マイクロ波によって形成される表面波プラズマにより、ウェハＷに対して成膜処理またはエッチング処理等の所定のプラズマ処理を行う。
　チャンバ１は、略円筒状の処理容器であり、接地されている。チャンバ１は、天井に設けられた上部開口を天板９により閉塞し、これにより、内部を気密に保持することが可能である。チャンバ１及び天板９は、アルミニウムまたはステンレス鋼等の金属材料から形成される。
　チャンバ１内の底部中央にはウェハＷを載置するステージ３が、絶縁部材を介して立設された筒状の支持部材４により支持されている。ステージ３を構成する材料としては、表面をアルマイト処理（陽極酸化処理）したアルミニウム等の金属や内部に高周波用の電極を有した絶縁部材（セラミックス等）が例示される。ステージ３には、ウェハＷを静電吸着するための静電チャック、温度制御機構、ウェハＷの裏面に熱伝達用のガスを供給するガス流路等が設けられてもよい。
　また、ステージ３には、整合器を介して高周波バイアス電源が電気的に接続されてもよい。高周波バイアス電源からステージ３に高周波電力が供給されることにより、ウェハＷ側にプラズマ中のイオンが引き込まれる。ただし、高周波バイアス電源はプラズマ処理の特性によっては設けなくてもよい。
　チャンバ１の底部には排気管が接続されており、排気管には真空ポンプを含む排気装置が接続されている。排気装置を作動させるとチャンバ１内が排気され、これにより、チャンバ１内が所定の真空度まで減圧される。チャンバ１の側壁には、ウェハＷの搬入及び搬出を行うための搬入出口と、搬入出口を開閉するゲートバルブとが設けられている。
　天板９には、チャンバ１内にマイクロ波を放射する７つの電磁波放射手段２（図１Ｂ（ａ）では３本の電磁波放射手段２のみ図示）が設けられている。
［モノポールアンテナ］
　図２に、電磁波放射手段２の一例を示す。電磁波放射手段２は、同軸ケーブル状をなし、内部導体１２１と、その外側の外部導体１２２と、これらの間に設けられたテフロン（登録商標）等の誘電体１２３とを有する。電磁波放射手段２の先端は、長さＤだけ突出した内部導体１２１からなるモノポールアンテナ１１を構成している。
　モノポールアンテナ１１は、チャンバ１の天板９の裏面９ａと同じ高さの、誘電体１２３の端面から内部導体１２１をチャンバ１の内部空間に露出させて放射部１２５を構成することにより、放射部１２５からマイクロ波をチャンバ１内に放射する。放射部１２５の長さＤは、電磁波の周波数によって変化する。例えば、マイクロ波の周波数が３００ＭＨｚ～３ＧＨｚの場合、長さＤは、数１０ｍｍ～数１００ｍｍとなる。ただし、内部導体１２１は、誘電体１２３から飛び出さない構成でもよい。この場合、電磁波放射手段２の先端には、外部導体１２２が存在しない切欠き部が形成され、切欠き部を通して内部導体１２１の先端の放射口からマイクロ波がチャンバ１内に放射される。
　かかる構成により、マイクロ波は、マイクロ波出力部６から出力され、制御装置８の制御に従い位相器７によって位相制御された後、チャンバ１内に放射される。なお、電磁波放射手段２の数は７つに限られず、２以上であればよく、３以上が好ましい。
　図１Ｂ（ａ）に戻り、電磁波放射手段２の中心から隣り合う電磁波放射手段２の中心までの距離Ｅは、マイクロ波の波長λの１／２よりも小さくなるように、概ね等間隔で規則正しく並べられている。誘電体窓５は、複数の放射部１２５とステージ３とから離隔して配置される。誘電体窓５は、チャンバ１の内部を、誘電体窓５の上の空間Ｖと下の空間Ｕとに分ける仕切り板となっている。誘電体窓５は、例えば、石英、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）等のセラミックス、ポリテトラフルオロエチレン等のフッ素系樹脂やポリイミド系樹脂により形成されている。
　電磁波放射手段２の下の空間Ｖには、数１０ｍｍ～数１００ｍｍ程度の自由空間が存在し、その下部に設置された誘電体窓５を介して空間Ｕにプラズマが生成される。天板９の裏面９ａと誘電体窓５の上面との垂直距離Ｈは、マイクロ波の波長λに対してλ／４よりも大きい。空間Ｖには、７つの電磁波放射手段２から放射された複数のマイクロ波が伝播する。空間Ｖは大気空間であり、空間Ｕは真空空間である。
　プラズマ処理装置１０は、制御装置８を有する。制御装置８は、プロセッサ、メモリなどの記憶部、入力装置、表示装置、信号の入出力インターフェイス等を備えるコンピュータであり得る。制御装置８は、プラズマ処理装置１０の各部を制御する。制御装置８では、入力装置を用いて、オペレータがプラズマ処理装置１０を管理するためにコマンドの入力操作等を行うことができる。また、制御装置８では、表示装置により、プラズマ処理装置１０の稼働状況を可視化して表示することができる。さらに、記憶部には、制御プログラム及びレシピデータが格納されている。制御プログラムは、プラズマ処理装置１０で各種処理を実行するために、プロセッサによって実行される。プロセッサが、制御プログラムを実行し、レシピデータに従ってプラズマ処理装置１０の各部を制御する。また、制御装置８のプロセッサは、電磁波放射手段２毎に備えられた位相器７を制御し、放射部１２５から放射するマイクロ波の位相を制御する。
かかる構成のプラズマ処理装置１０においてプラズマ処理を行う際には、まず、ウェハＷが、搬送アーム上に保持された状態で、開口したゲートバルブから搬入出口を通りチャンバ１内に搬入される。　
ゲートバルブはウェハＷを搬入後に閉じられる。ウェハＷは、ステージ３の上方まで搬送されると、搬送アームからプッシャーピンに移され、プッシャーピンが降下することによりステージ３に載置される。チャンバ１の内部の圧力は、排気装置により所定の真空度に保持される。所定ガスが誘電体窓５の下の空間Ｕに導入される。７つの電磁波放射手段２（モノポールアンテナ１１）から位相を制御されたマイクロ波が放射される。これにより、誘電体窓５の所定位置にて電界が強まり、これにより、ガスがプラズマ化したときのプラズマの分布を制御できる。生成されたプラズマによってウェハＷに所定のプラズマ処理が施される。　
図１Ａ（ａ）に示す比較例にかかるプラズマ処理装置２０では、電磁波放射手段２に太線のカーブで一例を示すように、７つの電磁波放射手段２から放射されるマイクロ波の位相は同じである。よって、比較例にかかるプラズマ処理装置２０では、マイクロ波の電界により誘電体窓５の下にてプラズマを生成する際、７つの電磁波放射手段２の配置パターンに電界分布が影響される。この結果、図１Ａ（ｂ）に一例を示すように、電磁波放射手段２の配置パターンに従ってプラズマ分布の強弱が生じる。つまり、ウェハＷに対するプラズマ処理が、電磁波放射手段２の配置パターンの影響を受けて不均一になりやすい。　
しかしながら、電磁波放射手段２の配置パターンは、物理的な配置であり、予め設定した配置から変更することは困難である。そこで、本実施形態では、複数の電磁波放射手段２の配置によらず、誘電体窓５における電界分布を変えることでプラズマ分布を制御することが可能なプラズマ処理装置１０及びプラズマ処理方法を提供する。　
すなわち、図１Ｂ（ａ）に示す本実施形態にかかるプラズマ処理装置１０は、制御装置８の制御により、位相器７を用いて７つの電磁波放射手段２のそれぞれから放射されるマイクロ波の位相が制御される。これにより、７つの電磁波放射手段２のそれぞれから投入されたマイクロ波が干渉を起こし、任意の箇所にて電界強度を高めることができる。これにより、プラズマを集中して生成することで、高度なプラズマ分布の制御が可能になる。　
たとえば、図１Ｂ（ａ）では、７つの電磁波放射手段２から投入されるマイクロ波の位相制御により、空間Ｖを伝播するマイクロ波が干渉を起こし、誘電体窓５の左側にてマイクロ波の電界強度が高められる。これにより、図１Ｂ（ｂ）に一例を示すように、ウェハＷの左側にてプラズマを集中して生成することが可能になる。　
［位相制御］
　次に、マイクロ波の位相制御について、図３を参照して説明する。図３は、一実施形態に係るプラズマ処理装置１０に設けられた制御装置８が行う位相器７を用いた位相制御を説明するための図である。図３（ａ）は、電磁波放射手段２のうちの一つ（本例では、電磁波放射手段２ａ）から放射されるマイクロ波と、誘電体窓５において電界を集中させたい焦点位置Ｏとの関係を示す。焦点位置Ｏに垂直な、天板９の裏面の位置をＯ’とし、焦点位置Ｏから天板９の裏面の位置Ｏ’までの距離をｚとし、電磁波放射手段２ａから放射されるマイクロ波の放射点の位置をｘとすると、以下の式（１）が成り立つ。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
 　式（１）のｋは、電磁波の波数であり、電磁波の波長λの逆数、つまり、k＝１／λで示される。δ（ｘ）は、放射点の位置ｘから放射される電磁波（本実施形態ではマイクロ波）の位相を示す。
　式（１）を変形すると、電磁波の位相δ（ｘ）を求める式（２）が得られる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
 　式（２）に基づき、放射点の位置ｘから放射される電磁波の位相δ（ｘ）は、電磁波の波数ｋと、誘電体窓５の位置Ｏから天板９の裏面の位置Ｏ’までの距離ｚと、放射点の位置ｘとから算出される。式（２）は、図３（ｂ）の曲線を描く。
　２つ以上の電磁波放射手段２から放射されるマイクロ波の、焦点位置Ｏにおける位相を強め合う条件について、図３（ｃ）を参照しながら説明する。７つの電磁波放射手段２を電磁波放射手段２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄ、２ｅ、２ｆ、２ｇとし、図３（ｃ）では説明の便宜上、電磁波放射手段２の実際の位置関係とは異なり離間して横に並べて示す。
　本実施形態に係る電磁波放射手段２ａ～２ｇの制御では、制御装置８は、電磁波放射手段２ａ～２ｇから放射するマイクロ波の各放射点の位置ｘａ～ｘｇから焦点位置Ｏまでの各距離において、焦点位置Ｏにおける位相をあわせるように電磁波放射手段２ａ～２ｇから放射する各マイクロ波の位相δ（ｘａ）～δ（ｘｇ）を制御する。
　電磁波放射手段２ａ～２ｇの放射点の位置ｘが異なるため、式（２）に示すように、電磁波放射手段２ａ～２ｇから放射されるマイクロ波の位相δ（ｘ）は、位相を制御しないと、焦点位置Ｏにおいてずれが生じる。その結果、電磁波放射手段２ａ～２ｇのうちの何れかのマイクロ波は、焦点位置Ｏにおいて位相を強め合う条件になっても、他の何れかのマイクロ波は、焦点位置Ｏにおいて位相を弱め合う条件になる。これに対して、本実施形態では、電磁波放射手段２ａ～２ｇから放射されるマイクロ波の位相δ（ｘａ）～δ（ｘｇ）をそれぞれ制御することで、焦点位置Ｏにおいてすべてのマイクロ波の位相を強め合うことができる。例えば、図３（ｃ）に示す電磁波放射手段２ａ、２ｂ、２ｃから放射されるマイクロ波の位相は、腹と腹、節と節が合っているため、マイクロ波の位相を強め合う条件になっている。ただし、電磁波放射手段２ａ、２ｂ、２ｃから放射されるマイクロ波の位相を強め合う条件に制御しても、電磁波放射手段２ｄ～２ｇから放射されるマイクロ波の少なくともいずれかの位相が弱め合う条件である等、焦点位置Ｏにおいて７つのマイクロ波の位相が強め合う結果とはならない場合がある。
　これに対して、本実施形態では、電磁波放射手段２ｄ、２ｅ、２ｆ、２ｇから放射されるマイクロ波の位相もマイクロ波を強め合う条件に制御される。これにより、誘電体窓５の焦点位置Ｏにおいて７つのマイクロ波の位相が強め合う条件に各マイクロ波の位相を制御し、これにより、マイクロ波の電界を焦点位置Ｏに集中させる制御ができる。
　ただし、焦点位置Ｏにおいてマイクロ波の位相を強め合う制御は、電磁波放射手段２ａ～２ｇのうちから出力される、最低２つのマイクロ波に対して行い、７つのマイクロ波のすべてに対して焦点位置Ｏにおいて位相を強め合う制御を行わなくてもよい。例えば、電磁波放射手段２のうちマイクロ波の位相を制御しないものが１つ以上あってもよい。また、上記説明では、誘電体窓５における焦点位置Ｏは１つであったが、これに限られず、同じタイミングに誘電体窓５における２つ以上の焦点位置Ｏにおける位相を強め合う制御を行っても良い。
　なお、図１Ｂ（ａ）に示すように、一の電磁波放射手段２の中心から隣り合う電磁波放射手段２の中心までの距離Ｅは、λ／２よりも小さい。隣り合う電磁波放射手段２の距離Ｅ（間隔）がλ／２以上よりも大きいと、誘電体窓５の焦点位置Ｏにマイクロ波を集光できず、焦点位置Ｏにおいてマイクロ波の位相を強め合う制御ができなくなるためである。
　以上に説明した位相制御による集光は、機械的動作を伴わないため、高速に制御することができる。原理上は、マイクロ波の周波数と同程度の高速制御で、焦点位置Ｏを時間に応じて動かすことが可能である。これにより、複数の電磁波放射手段２の位相制御を高速に制御することができる。この結果、誘電体窓５におけるマイクロ波の電界の分布を高速に制御することにより、誘電体窓５の下の空間Ｕにてプラズマを均一に生成することができる。
　図４は、一実施形態に係る制御装置８による位相制御の一例を示す図である。図４の例では、制御装置８が、位相器７（図４では一つのみ表示）を用いて７つの電磁波放射手段２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄ、２ｅ、２ｆ、２ｇからそれぞれ放射されるマイクロ波の位相δ（ｘａ）～δ（ｘｇ）を、焦点位置Ｃにて強め合うように制御する。これにより、焦点位置Ｃを中心とした集光部分Ａｒにてマイクロ波の電界が強くなるように制御されることを模式的に示している。
　制御装置８は、位相器７を用いて焦点位置Ｃが径方向Ｌ１又は周方向Ｌ２等に誘電体窓５の表面を走査するように、マイクロ波の位相δ（ｘａ）～δ（ｘｇ）を高速に制御する。これにより、焦点位置Ｃ及び集光部分Ａｒを高速に移動させることで、誘電体窓５の下の空間Ｕにてプラズマを均一に生成することができる。
　また、制御装置８は、位相器７を用いてマイクロ波の位相δ（ｘａ）～δ（ｘｇ）を制御する速度を変化させることで、集光部分Ａｒの移動速度を変えることで、単位時間当たりの平均電界分布を自由に制御することができる。例えば、制御装置８が、誘電体窓５の外周側で集光部分Ａｒをゆっくり動かし、内周側で集光部分Ａｒを外周側よりも早く動かすようにマイクロ波の位相δ（ｘａ）～δ（ｘｇ）を制御する速度を変化させてもよい。これにより、誘電体窓５の外周側の電界強度を内周側の電界強度よりも強くすることができる。これにより、誘電体窓５の下の外周側のプラズマ密度を内周のプラズマ密度よりも高く制御する等、プラズマ分布を自由に制御することができる。
　［プラズマ処理方法］
　次に、プラズマ処理装置１０にて実行されるプラズマ処理方法の一例について、図５を参照して説明する。図５は、一実施形態に係るプラズマ処理方法の一例を示すフローチャートである。なお、本処理は制御装置８により制御される。
　本処理が開始されると、制御装置８は、ウェハＷをチャンバ内に搬入し、ステージ３に載置してウェハＷを準備する（ステップＳ１）。次に、制御装置８は、ガス供給部から所定のガスを供給する（ステップＳ２）。次に、制御装置８は、マイクロ波出力部６からマイクロ波を出力する（ステップＳ３）。
　次に、制御装置８は、位相器７を使用して、７つの電磁波放射手段２から放射される各マイクロ波の位相を制御し、位相を制御された各マイクロ波を、各電磁波放射手段２の放射部１２５からチャンバ１内に放射する（ステップＳ４）。これにより、位相を制御された各マイクロ波が空間Ｖにおいて干渉し、誘電体窓５の所定の位置にマイクロ波を集光させることができる。これにより、誘電体窓５とステージ３との間の空間Ｕに局所プラズマを生成し、生成した局所プラズマによりウェハＷに所定のプラズマ処理を行う。
　次に、制御装置８は、ウェハＷへのプラズマ処理を終了するかを判定する（ステップＳ５）。制御装置８は、レシピに従い、ウェハＷへのプラズマ処理の終了時間になったと判定するまで、７つの電磁波放射手段２から出力されるマイクロ波の位相を時間に応じて制御する（ステップＳ４）。制御装置８は、レシピに従い、ウェハＷへのプラズマ処理の終了時間になったと判定したとき、本処理を終了する。なお、本処理の終了時には、マイクロ波の出力を停止し、ガスの供給を停止する。
　［位相制御のシミュレーション結果］
　図６Ａに示すように、制御装置８が位相器７を使用して１９の電磁波放射手段２から出力されるマイクロ波の位相を制御したときの、一実施形態に係る誘電体窓５における電界分布のシミュレーション結果の一例を、図６Ｂ及び図６Ｃに示す。
　このシミュレーションの条件としては、１９の電磁波放射手段２から同じパワーのマイクロ波が放射されるように設定した。図６Ａ、図６Ｂおよび図６Ｃに示すマイクロ波の電界強度は、色の濃い部分でより電界強度が高い状態を示す。
　これによれば、図６Ｂに示すように、マイクロ波の位相δ（ｘ）を、誘電体窓５の焦点位置Ｃ１にて位相を強め合うように制御した結果、焦点位置Ｃ１を中心とした集光部分Ａｒにてマイクロ波の電界が強くなった。
　その後、マイクロ波の電界が強い集光部分Ａｒを径方向に中心に向かって移動させるように、位相器７によって１９の電磁波放射手段２から放射される各マイクロ波の位相を制御した。そのときの誘電体窓５における電界分布のシミュレーション結果の一例を、図６Ｃに示す。これによれば、焦点位置Ｃ２を中心とした集光部分Ａｒにマイクロ波の電界が強い部分を移動させることができた。かかるシミュレーションにより、位相制御による自由な集光制御が可能であることが確かめられた。
　以上に説明したように、本実施形態のプラズマ処理装置１０によれば、複数の電磁波放射手段２の配置によらずに、誘電体窓５における電界分布を変えることができる。これにより、位相制御による自由な集光制御が可能になり、プラズマの分布を自由に制御することができる。
　なお、本開示のプラズマ処理装置１０は、マイクロ波を放射するプラズマ処理装置を一例に挙げて説明したが、これに限られない。本開示のプラズマ処理装置１０が有する複数の電磁波放射手段２は、マイクロ波に限られず、ＵＨＦ等、周波数が１００ＭＨｚ以上の電磁波を放射してもよい。電磁波放射手段２は、更に好ましくは、周波数が１ＧＨｚ～３ＧＨｚの範囲の電磁波を放射することが良い。周波数が高いほど、より高速な位相制御が可能になる。
　また、上記実施形態では誘電体窓５の上の空間Ｖは、大気空間であるが、これに限られない。例えば、誘電体窓５の上の空間Ｖを誘電体窓５と同じ材料又は異なる材料の誘電体で埋めてもよい。空間Ｖを誘電体にて埋めることで誘電体を伝播するマイクロ波の波長を短くできるため、プラズマ処理装置１０を小型化できる。
　上記実施形態では、誘電体窓５の上の空間Ｖを大気空間したが、空間Ｖを真空空間にしてもよい。ただし、空間Ｖを真空空間にした場合、真空空間で位相制御を行うことになり、空間Ｖにおいてプラズマが生成される恐れがある。以上から、誘電体窓５の上の空間Ｖは大気空間であることがより好ましい。また、放射部１２５と誘電体窓５との距離Ｄをマイクロ波の波長λの１／４より大きくすることで、誘電体窓５にてマイクロ波を十分に集光させることができる。
　今回開示された一実施形態に係るプラズマ処理方法及びプラズマ処理装置は、すべての点において例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。上記の一実施形態は、添付の請求の範囲及びその主旨を逸脱することなく、様々な形態で変形及び改良が可能である。上記複数の実施形態に記載された事項は、矛盾しない範囲で他の構成も取り得ることができ、また、矛盾しない範囲で組み合わせることができる。
　本願は、日本特許庁に２０１９年４月３日に出願された基礎出願２０１９－０７１５４１号の優先権を主張するものであり、その全内容を参照によりここに援用する。
１　　　チャンバ
２　　　電磁波放射手段
３　　　ステージ
５　　　誘電体窓
６　　　マイクロ波出力部
７　　　位相器
８　　　制御装置
９　　　天板
１０　　プラズマ処理装置
１１　　モノポールアンテナ
１２１　内部導体
１２２　外部導体
１２４　切欠部
１２５　放射部

Claims (9)

  1. 　チャンバと、前記チャンバ内にて基板を載置するステージと、複数の電磁波を放射する複数の放射部と、複数の前記放射部と前記ステージとの間に配置される誘電体窓と、を有するプラズマ処理装置におけるプラズマ処理方法であって、
    　基板を前記ステージに準備する工程と、
    　複数の前記放射部から放射する複数の前記電磁波の少なくともいずれかの位相を制御する工程と、
    　複数の前記電磁波を複数の前記放射部から前記チャンバ内に放射する工程と、
    　前記誘電体窓と前記ステージとの間に供給されたガスから生成された局所プラズマにより前記基板を処理する工程と、
    　を有する、プラズマ処理方法。
  2. 　前記誘電体窓は、複数の前記放射部と前記ステージとから離隔して配置され、
    　前記誘電体窓の上の空間に、複数の前記電磁波を伝播させる工程を有し、
    　前記基板を処理する工程では、前記誘電体窓の下の空間に前記局所プラズマが生成される、
    　請求項１に記載のプラズマ処理方法。
  3. 　複数の前記放射部から前記誘電体窓までの垂直距離は、前記電磁波の波長λの１／４よりも大きい、
    　請求項２に記載のプラズマ処理方法。
  4. 　複数の前記放射部のそれぞれは、モノポールアンテナを有する、
    　請求項１～３のいずれか一項に記載のプラズマ処理方法。
  5. 　前記放射部の中心から隣り合う前記放射部の中心までの距離は、前記電磁波の波長λの１／２よりも小さい、
    　請求項１～４のいずれか一項に記載のプラズマ処理方法。
  6. 　複数の前記電磁波の周波数は、１００ＭＨｚ以上である、
    　請求項１～５のいずれか一項に記載のプラズマ処理方法。
  7. 　複数の前記電磁波の周波数は、１ＧＨｚ～３ＧＨｚである、
    　請求項６に記載のプラズマ処理方法。
  8. 　複数の前記電磁波の位相を時間に応じて変え、前記局所プラズマが生じる領域を制御する、
    　請求項１～７のいずれか一項に記載のプラズマ処理方法。
  9. 　チャンバと、前記チャンバ内にて基板を載置するステージと、複数の電磁波を放射する複数の放射部と、複数の前記放射部と前記ステージとの間に配置される誘電体窓と、制御装置と、を有するプラズマ処理装置であって、
    　前記制御装置は、
    　基板を前記ステージに準備する工程と、
    　複数の前記放射部から放射する複数の前記電磁波の少なくともいずれかの位相を制御する工程と、
    　複数の前記電磁波を複数の前記放射部から前記チャンバ内に放射する工程と、
    　前記誘電体窓と前記ステージとの間に供給されたガスから生成された局所プラズマにより前記基板を処理する工程と、
    を制御するプラズマ処理装置。
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