WO2021241256A1 - プラズマ処理装置 - Google Patents

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WO2021241256A1
WO2021241256A1 PCT/JP2021/018298 JP2021018298W WO2021241256A1 WO 2021241256 A1 WO2021241256 A1 WO 2021241256A1 JP 2021018298 W JP2021018298 W JP 2021018298W WO 2021241256 A1 WO2021241256 A1 WO 2021241256A1
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WO
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top wall
plasma processing
frequency
processing apparatus
coaxial line
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PCT/JP2021/018298
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English (en)
French (fr)
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俊彦 岩尾
貴彰 加藤
Original Assignee
東京エレクトロン株式会社
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    • H01J37/32623—Mechanical discharge control means

Definitions

  • This disclosure relates to a plasma processing apparatus.
  • Patent Document 1 is a plasma processing apparatus that applies a predetermined plasma treatment to a substrate W to be processed, and the upper electrode is provided with an electrode plate so as to face the lower electrode.
  • the electrode plate has an outer portion made of a conductor or a semiconductor, and a central portion made of a dielectric member or a high resistance member having a higher resistance than the outer portion. This suppresses non-uniformity of the electric field on the electrode surface when high frequency power is applied to the upper electrode.
  • the present disclosure provides a plasma processing apparatus capable of blocking the propagation of high-order modes of electromagnetic waves in the VHF band of 100 MHz or higher and generating uniform plasma.
  • a plasma processing apparatus that supplies electromagnetic waves in the VHF band of 100 MHz or more into a chamber to generate plasma and process the object to be processed, wherein a part of the chamber is used. It has a top wall that is defined and has a ground potential, and a center conductor that is installed in a hole provided in the center of the top wall via a dielectric window and applies the electromagnetic wave. The center position is provided at a position substantially coincide with the center position of the mounting table on which the object to be processed is placed, and the cutoff frequency of the coaxial line composed of the center conductor and the top wall is the frequency of the electromagnetic wave.
  • a plasma processing apparatus in which the outer diameter of the center conductor and the size of the hole in the top wall are defined so as to be larger than the above.
  • FIG. 5 is an enlarged view of the coaxial line length of FIG. 5 up to 100 mm. It is a figure for demonstrating the cutoff frequency.
  • FIG. 10 is an enlarged view of the coaxial line length of FIG. 10 up to 100 mm.
  • FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing a plasma processing apparatus 100 according to a reference example.
  • FIG. 2 is a diagram showing an example of the film thickness distribution at the time of film formation according to the reference example.
  • the plasma processing apparatus 100 includes a chamber 10, a mounting table 12, an upper electrode 14, a coaxial waveguide 20, and a VHF power supply 30.
  • the chamber 10 has a cylindrical shape and extends along the vertical direction.
  • the central axis of the chamber 10 is the axis AX extending in the vertical direction.
  • the mounting table 12 is provided in the chamber 10 on which the substrate W, which is an example of the object to be processed, is mounted.
  • An exhaust port 10e is formed at the bottom of the chamber 10 below the mounting table 12. The inside of the chamber 10 is evacuated through the exhaust space Ex by the exhaust device connected to the exhaust port 10e.
  • an upper electrode 14 is provided via a plasma processing space (hereinafter referred to as a space SP) in the chamber 10.
  • the upper electrode 14 has a disk shape and has a central conductor 14a and a dielectric window 21.
  • the mounting table 12 and the upper electrode 14 face each other, and plasma is generated in the space SP between the mounting table 12 and the upper electrode 14.
  • the plasma processing apparatus 100 has a coaxial waveguide 20 (waveguide r) for supplying electromagnetic waves to the space SP.
  • the coaxial waveguide 20 is composed of a central conductor 14a, a top wall 24, and an upper side wall 10a of a chamber 10 connected to the top wall 24.
  • the coaxial line 201 of the coaxial waveguide 20 is a portion that introduces an electromagnetic wave such as a VHF wave into the space SP as shown in the waveguide r.
  • the top wall 24 and the upper side wall 10a of the chamber 10 define a part of the chamber 10 and have a ground potential.
  • the central conductor 14a constitutes the inner conductor of the coaxial waveguide 20.
  • the top wall 24 and the upper side wall 10a of the chamber 10 form an outer conductor of the coaxial waveguide 20.
  • the coaxial waveguide 20 functions in the same manner as the coaxial cable.
  • the dielectric window 21 is an annular member provided at the tip of the coaxial line 201, and is capable of transmitting electromagnetic waves.
  • the lower surface of the dielectric window 21 is exposed to the space SP, and the electromagnetic wave transmitted through the dielectric window 21 is radiated to the space SP.
  • a VHF power supply 30 is electrically connected via a matching unit 32.
  • the VHF power supply 30 is a power supply that generates electromagnetic waves in the VHF band.
  • the matching unit 32 includes a matching circuit for matching the load-side impedance seen from the VHF power supply 30 with the output impedance of the VHF power supply 30.
  • electromagnetic waves in the frequency band of 100 MHz or higher tend to propagate differently than high frequencies in the lower frequency band.
  • a high frequency of 60 MHz or less is applied, a discharge phenomenon occurs between the upper electrode 14 and the mounting table 12 based on Paschen's law, and plasma based on the processing gas is generated in the space SP.
  • an electromagnetic wave of 100 MHz or more is applied to the upper electrode 14, the electromagnetic wave propagates so as to crawl on the surface (lower surface) of the upper electrode 14, and the processing gas is turned into plasma in the vicinity of the surface of the upper electrode 14. Is generated.
  • FIG. 2 shows an example of the film thickness distribution when a film is formed on a wafer having a diameter of 300 mm as an example of the substrate by the plasma processing apparatus 100 according to the reference example.
  • silane gas (SiH 4 ), ammonia gas (NH 3 ) and helium gas (He) were used as gases, and the pressure in the chamber was controlled to 600 mTorr (about 80 Pa). Further, an electromagnetic wave in the VHF band having a frequency of 220 MHz and a power of 2700 W was applied to form an insulating film.
  • the film thickness distribution is one index of the plasma distribution.
  • the non-uniformity of plasma distribution is considered to be due to the mode of electromagnetic waves.
  • the electromagnetic wave When an electromagnetic wave is radiated from the coaxial line 201 into the space SP, the electromagnetic wave includes a higher-order mode as well as a reference mode. It is considered that the surface wave plasma generated by the electromagnetic wave of this higher order mode has non-uniformity, which causes non-uniformity of the film quality.
  • an electromagnetic wave having a frequency of 100 MHz or higher is propagated on the coaxial line 201, an electromagnetic wave in a high-order mode is generated, causing variation in the film quality.
  • the coaxial waveguide 20 capable of blocking the propagation of electromagnetic waves in the higher-order mode.
  • the TEM mode of electromagnetic waves is a reference mode.
  • the TE11 mode of electromagnetic waves is the mode having the lowest order among the higher order modes. Therefore, if the propagation of the electromagnetic wave in the TE11 mode can be blocked, the propagation of the electromagnetic wave in all the higher-order modes having a higher order can be blocked. Therefore, in the present embodiment, the coaxial waveguide 20 is designed to a size that can block the propagation of the TE11 mode.
  • the plasma processing apparatus 1 which has the coaxial waveguide 20 designed to have a size capable of blocking the propagation of the TE11 mode, will be described.
  • FIG. 3 is a schematic cross-sectional view showing the plasma processing apparatus 1 according to the embodiment.
  • the plasma processing apparatus 1 has a chamber 10, a mounting table 12, an upper electrode 14, a coaxial waveguide 20, and a VHF power supply 30.
  • the chamber 10 has a cylindrical shape and extends along the vertical direction.
  • the central axis of the chamber 10 is the axis AX extending in the vertical direction.
  • the chamber 10 is made of a conductor such as aluminum or an aluminum alloy.
  • a corrosion-resistant film is formed on the surface of the chamber 10.
  • the corrosion resistant film is a ceramic such as aluminum oxide or yttrium oxide.
  • the mounting table 12 is provided in the chamber 10.
  • the mounting table 12 is configured to support the substrate W mounted on the upper surface thereof substantially horizontally.
  • the mounting table 12 has a disk shape.
  • the central axis of the mounting table 12 substantially coincides with the axis AX.
  • An exhaust port 10e is formed at the bottom of the chamber 10 below the mounting table 12.
  • An exhaust device is connected to the exhaust port 10e.
  • the exhaust system includes a pressure control valve and a vacuum pump such as a turbo molecular pump and / or a dry pump.
  • the inside of the chamber 10 is evacuated by the exhaust device through the exhaust space Ex.
  • the upper electrode 14 is provided above the mounting table 12 via the space SP in the chamber 10.
  • the upper electrode 14 has a disk shape.
  • the mounting table 12 and the upper electrode 14 face each other, and surface wave plasma is generated in the space SP between the mounting table 12 and the upper electrode 14.
  • the surface wave plasma is generated near the surface of the upper electrode 14.
  • the plasma processing device 1 has a coaxial waveguide 20 (waveguide r) for supplying an electromagnetic wave to the space SP.
  • the coaxial waveguide 20 is composed of a central conductor 14a and a top wall 24, and introduces an electromagnetic wave of VHF wave of 100 MHz or more from the coaxial line 201 to the space SP.
  • the central conductor 14a constitutes the inner conductor of the coaxial waveguide 20.
  • the top wall 24 constitutes the outer conductor of the coaxial waveguide 20.
  • the coaxial waveguide 20 composed of the central conductor 14a and the top wall 24 has the same function as the coaxial cable.
  • the central axis of the top wall 24 and the center conductor 14a substantially coincides with the axis AX.
  • the term "substantial match” includes the case where the match is not perfect due to the mechanical processing accuracy.
  • the through hole formed in the center of the top wall 24 is expanded inside the top wall 24 to form a step portion 24a, whereby the center conductor 14a is arranged in the space extending to the outer peripheral side in the top wall 24. That is, the central conductor 14a is provided in a space that penetrates the through hole at the center of the top wall 24 and extends toward the outer periphery inside the top wall 24.
  • the top wall 24 defines a part of the chamber 10 and has a ground potential.
  • the central conductor 14a may be made of a metal such as aluminum or may be made of another conductor material.
  • the central conductor 14a has a shaft portion 14a1 and a diameter-expanded portion 14a2 that extends radially from the shaft portion 14a1 at the lower portion of the shaft portion 14a1.
  • the shaft portion 14a1 has a columnar shape, and the diameter-expanded portion 14a2 has a disk shape.
  • the central conductor 14a has a T-shaped vertical cross section.
  • An electromagnet 35 is embedded in the top wall 24 so as to form an annular shape as a whole, and the electron density of the plasma can be maintained high by confining the electrons in the plasma in the magnetic flux of the electromagnet 35. This makes it possible to adjust the distribution of plasma.
  • the electromagnet 35 may be provided on at least one of the top wall 24 and the side wall 10a of the chamber 10. However, the electromagnet 35 may not be provided.
  • the dielectric window 21 formed in the coaxial waveguide 20 is located at least at the tip of the coaxial line 201 and has a first solid dielectric layer 21a that separates the inside of the coaxial line 201 from the plasma space.
  • the dielectric window 21 is composed of a first solid dielectric layer 21a, and the first solid dielectric layer 21a is located between the outer peripheral end portion of the enlarged diameter portion 14a2 and the inner side wall 24b of the top wall 24. It is provided in.
  • the thickness of the first solid dielectric layer 21a is substantially equal to the thickness L of the enlarged diameter portion 14a2. That is, the first solid dielectric layer 21a is embedded in the entire coaxial line 201 which will be treated as a coaxial line in the calculation described later.
  • the first solid dielectric layer 21a is capable of transmitting electromagnetic waves. The lower surface of the first solid dielectric layer 21a is exposed to the space SP, and the electromagnetic wave transmitted through the first solid dielectric layer 21a is radiated to the space SP.
  • a VHF power supply 30 is electrically connected above the upper electrode 14 via a matching unit 32.
  • the VHF power supply 30 is a power supply that generates electromagnetic waves in the VHF band.
  • the VHF power supply 30 outputs an electromagnetic wave in the VHF band of 100 MHz or more.
  • the matching unit 32 includes a matching circuit for matching the load-side impedance seen from the VHF power supply 30 with the output impedance of the VHF power supply 30.
  • the electromagnetic wave propagates from the VHF power supply 30 to the dielectric window 21 in the coaxial line 201, passes through the dielectric window 21, and is supplied to the space SP from the lower surface of the dielectric window 21.
  • the electromagnetic wave used is a VHF wave of 100 MHz or more and 300 MHz or less.
  • Gas pipes are formed on the top wall 24 and the central conductor 14a.
  • a gas supply source is connected to the gas pipe.
  • the gas supply source supplies one or more gases used for processing the substrate W.
  • the gas supply source includes one or more flow rate controllers for controlling the flow rate of one or more gases.
  • the gas supplied into the pipes of the top wall 24 and the central conductor 14a is discharged to the space SP through a plurality of gas discharge holes opened in the space SP.
  • the gas is excited by the electric field of the surface wave of the electromagnetic wave formed in the space SP, and plasma (surface wave plasma) is generated from the gas.
  • plasma surface wave plasma
  • the substrate W on the mounting table 12 is treated with a chemical species from the plasma.
  • the mounting table 12 may be provided with a conductive layer for an electrostatic chuck and a conductive layer for a heater.
  • a DC voltage from a DC power source is applied to the conductive layer for the electrostatic chuck, an electrostatic attractive force is generated between the mounting table 12 and the substrate W.
  • the substrate W is attracted to the mounting table 12 by the generated electrostatic attraction and is held by the mounting table 12.
  • the plasma processing device 1 may further include a baffle member.
  • the baffle member extends between the mounting table 12 and the side wall of the chamber 10.
  • the baffle member is an annular plate material. A plurality of through holes are formed in the baffle member.
  • the plasma processing device 1 may further include a control unit 40.
  • the control unit 40 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 unit 40 controls each unit of the plasma processing device 1.
  • the operator can perform a command input operation or the like in order to manage the plasma processing device 1 by using the input device.
  • the control unit 40 can visualize and display the operating status of the plasma processing device 1 by the display device.
  • a control program and 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 1.
  • the processor executes a control program and controls each part of the plasma processing device 1 according to the recipe data.
  • an electromagnetic wave in the VHF band of 100 MHz or higher is applied to the central conductor 14a, and the generated plasma is used to process the substrate W.
  • the size of the coaxial waveguide 20 is designed to be large enough to block the propagation in the TE11 mode.
  • the dimensions of the coaxial waveguide 20 for blocking the propagation of the TE11 mode are defined by the outer diameter of the central conductor 14a and the dimensions of the holes in the top wall 24.
  • the cutoff frequency of the coaxial line 201 composed of the central conductor 14a and the top wall 24 is set to be at least twice the frequency of the electromagnetic wave in the VHF band of 100 MHz or more applied in the chamber 10.
  • the outer diameter of the center conductor 14a and the dimensions of the holes in the top wall 24 are specified.
  • the results of a simulation performed to optimize the outer diameter of the center conductor 14a and the dimensions of the holes in the top wall 24 to the size for blocking the TE11 mode will be described.
  • the dimension of the outer diameter of the central conductor 14a is the diameter d of the enlarged diameter portion 14a2
  • the dimension of the hole of the top wall 24 is the dimension of the top wall 24 facing the outer peripheral side wall of the enlarged diameter portion 14a2.
  • the length of the coaxial line 201 (coaxial line length L) shown in FIG. 3 is equal to the thickness of the enlarged diameter portion 14a2.
  • FIG. 4 is a table showing the relationship between the outer diameter of the central conductor 14a, the size of the hole in the top wall 24, and the cutoff frequency according to the embodiment.
  • 4 (a) is the ratio between the outer diameter of the center conductor 14a when the dielectric constant epsilon r was used 9.7 alumina to the first solid dielectric layer 21a (the diameter d of the enlarged diameter portion 14a2) top wall 24
  • the relationship between the hole (diameter D of the inner side wall 24b of the top wall) and the cutoff frequency is shown.
  • the diameter d of the enlarged diameter portion 14a2 is shown as an inner diameter d [mm]
  • the diameter D of the inner side wall 24b of the top wall is shown as an outer diameter D [mm].
  • the coaxial waveguide 20 of the above size when an electromagnetic wave having a frequency f smaller than 438 MHz is applied from the VHF power supply 30, the propagation of the electromagnetic wave in the higher order mode can be suppressed. It is possible to sufficiently attenuate the higher-order mode of the electromagnetic wave having a frequency f smaller than 219 MHz, which satisfies the condition of f ⁇ fc / 2 in which the safety factor is doubled.
  • FIG. 5 is a diagram showing an example of cutoff frequency and electromagnetic wave attenuation according to one embodiment.
  • the horizontal axis represents the distance x of the coaxial line from the port excited by the electromagnetic field in the line direction, and the vertical axis represents the complex amplitude
  • Higher-order mode electromagnetic waves are sufficiently attenuated.
  • the electric fields of electromagnetic waves having a frequency of f1 (43.8 MHz) and a frequency of f2 (219 MHz) are monotonically reduced in the coaxial waveguide 20 and are sufficiently attenuated.
  • the electromagnetic wave in the high-order mode having a frequency f larger than 438 MHz, which satisfies the condition of f> fc is not attenuated and propagates in the coaxial waveguide 20.
  • FIG. 6 is an enlarged view of the coaxial line length L of FIG. 5 up to 100 mm.
  • the alternate long and short dash line S indicates a half value of the electric field of the excited electromagnetic wave.
  • the coaxial line length L in order to attenuate the electric field of the electromagnetic wave having the frequency f1 (43.8 MHz) and the frequency f2 (219 MHz) to the electric field indicated by the alternate long and short dash line S, the coaxial line length L must be at least 20 mm. Recognize.
  • the electric fields of electromagnetic waves having a frequency of f3 (394 MHz) and a frequency of f4 (433 MHz) are monotonically reduced and attenuated in the coaxial waveguide 20.
  • the attenuation per unit distance is smaller than that of electromagnetic waves having frequencies f1 and f2.
  • the attenuation of the electric field of the electromagnetic wave having a frequency of f5 (438 MHz) is even smaller.
  • the coaxial line length L needs to be at least 30 mm.
  • the frequency f4 (433 MHz) it is necessary to further increase the coaxial line length L.
  • the inner diameter D may be specified. This can also largely attenuate the propagation of high-order modes of electromagnetic waves in the VHF band of 100 MHz or higher.
  • FIG. 7 is a diagram for explaining the cutoff frequency fc. As shown in FIG. 7, assuming that the outer diameter of the inner conductor of the coaxial waveguide is d and the inner diameter of the outer conductor is D, the cutoff frequency fc is calculated by the equation (1).
  • c is the speed of light (3 ⁇ 10 8 [m / s]), is epsilon r is the relative permittivity of the dielectric.
  • the frame shown by A in FIG. 4A is a range showing a cutoff frequency fc that is more than twice the electromagnetic wave having a frequency of 200 MHz, which is a simulation condition. If the outer diameter d of the center conductor 14a and the inner diameter D of the hole in the top wall 24 are specified so as to have a size having a cutoff frequency fc in the A frame, the TE11 mode and others when an electromagnetic wave having a frequency of 200 MHz is applied. High-order mode electromagnetic waves can be sufficiently attenuated. This makes it possible to generate a uniform plasma.
  • the frame shown by B in FIG. 4A is a range showing a cutoff frequency fc smaller than an electromagnetic wave having a frequency of 200 MHz, which is a simulation condition. If the outer diameter d of the center conductor 14a and the inner diameter D of the hole in the top wall 24 are specified so as to have a size having a cutoff frequency fc in the B frame, the TE11 mode and other modes are used when an electromagnetic wave having a frequency of 200 MHz is applied. Electromagnetic waves in higher-order mode propagate and cannot be blocked.
  • the coaxial line length L is specified to be at least 20 mm as shown in FIG. If the coaxial line length L is specified to be 40 mm, the higher-order mode can be sufficiently attenuated. Further, if the outer diameter d of the center conductor 14a and the inner diameter D of the hole of the top wall 24 are specified so as to have a size having a cutoff frequency fc not included in the A frame and the B frame, the condition of fc> f ⁇ fc / 2 is satisfied. The electromagnetic wave in the higher-order mode having a frequency f satisfying the condition is attenuated. However, the amount of attenuation is smaller than the amount of attenuation of electromagnetic waves in the higher-order mode having a frequency f satisfying the condition of f ⁇ fc / 2 in the A frame.
  • the surface wave of the electromagnetic wave propagating through the upper electrode 14 is used. It is possible to generate a more uniform electric field distribution and generate a uniform plasma not only in the circumferential direction but also in the radial direction. Further, the electron density of the plasma can be controlled by confining the electrons in the plasma in the magnetic flux of the electromagnet 35.
  • FIG. 4B shows the relationship between the dimensions of the coaxial waveguide 20 and the cutoff frequency when an air layer in a vacuum space having a relative permittivity ⁇ r is used for the coaxial line 201.
  • FIGS. 8A and 8B are diagrams showing an example of the upper electrode 14 of the plasma processing apparatus 1 according to the modified example of the embodiment.
  • the first solid dielectric layer 21a may be used for a part of the coaxial line 201, and the air layer 21b may be provided for another part.
  • the thickness of the first solid dielectric layer 21a is thinner than the thickness of the enlarged diameter portion 14a2.
  • the frequency of the air layer 21b is 200 MHz as shown in the A frame of FIG. 4 (b) with respect to the portion of the air layer 21b.
  • the range showing a cutoff frequency fc that is more than twice that of electromagnetic waves is widened.
  • first solid dielectric layer 21a at the tip of the coaxial line 201 so as to be a partition from the plasma space and prevent plasma from entering the coaxial line 201.
  • the thickness of the first solid dielectric layer 21a may be 1/4 or less with respect to the coaxial line length L.
  • the thickness of the first solid dielectric layer 21a may be 5 mm or more from the viewpoint of mechanical strength.
  • the dielectric window 21 has a first solid dielectric layer 21a in a part of the dielectric window 21, and a second solid dielectric layer having a lower relative permittivity than the first solid dielectric layer 21a in the other part. You may have.
  • the first solid dielectric layer 21a may be, for example , any substance of alumina (Al 2 O 3 ), aluminum nitride (AlN), and quartz.
  • the first solid dielectric layer 21a may be a substance having a lower relative permittivity than these alumina, aluminum nitride and quartz.
  • the second solid dielectric layer is a substance having a lower relative permittivity than the first solid dielectric layer 21a.
  • FIG. 9 is a diagram showing the relationship between the dimensions of the coaxial waveguide 20 and the cutoff frequency fc according to the embodiment.
  • the cutoff frequency fc of the coaxial waveguide 20 having an inner diameter d of 140 mm and an outer diameter D of 160 mm is 204 MHz shown in the C frame.
  • the coaxial waveguide 20 having the above size can sufficiently attenuate the electromagnetic wave in the higher-order mode having a frequency f smaller than 102 MHz, which satisfies the condition of f ⁇ fc / 2.
  • the electromagnetic wave in the higher-order mode having a condition of f> fc that is, a frequency f larger than 204 MHz, is not attenuated and propagates.
  • FIG. 10 is a diagram showing an example of cutoff frequency and electromagnetic wave attenuation according to an embodiment.
  • the horizontal axis represents the distance x of the coaxial line from the port excited by the electromagnetic field in the line direction, and the vertical axis represents the complex amplitude
  • the electric fields of electromagnetic waves having a frequency of f9 (20.4 MHz) and a frequency of f10 (102 MHz) are monotonically reduced in the coaxial waveguide 20 and are sufficiently attenuated.
  • the electromagnetic wave in the high-order mode having a frequency f larger than 204 MHz, which satisfies the condition of f> fc is not attenuated and propagates.
  • electromagnetic waves having a frequency f14 (206 MHz), a frequency f15 (224 MHz), and a frequency f16 (408 MHz) do not monotonically decrease in the coaxial waveguide 20, but propagate in the coaxial waveguide 20.
  • FIG. 11 is an enlarged view of the coaxial line length L of FIG. 10 up to 100 mm, and shows the coaxial line length L required for the electric field of the excited electromagnetic wave to be attenuated by half.
  • the alternate long and short dash line S indicates a half value of the electric field of the excited electromagnetic wave.
  • the coaxial line length L needs to be at least 35 mm. You can see that.
  • the electromagnetic wave in the high-order mode having a frequency f larger than 102 MHz and smaller than 204 MHz, which is shown in FIG. 10, is attenuated, but is less attenuated than the electromagnetic wave in the high-order mode having a frequency f of 102 MHz or less.
  • the electric fields of electromagnetic waves having a frequency of f11 (183 MHz) and a frequency of f12 (201 MHz) are monotonically reduced and attenuated in the coaxial waveguide 20.
  • the attenuation is less than that of electromagnetic waves having frequencies f9 and f10.
  • the attenuation of the electric field of the electromagnetic wave having a frequency of f13 (204 MHz) is even smaller.
  • the center conductor 14a serves as an internal conductor and the top wall 24 serves as an external conductor. Any configuration may be used as long as it functions as a cable.
  • FIG. 8B is a diagram showing an upper electrode 14 of the plasma processing device 1 according to another modification of one embodiment.
  • the upper electrode 14 is provided at the through hole of the top wall 24.
  • the through hole of the top wall 24 is the inner side wall 24b of the top wall 24 and corresponds to the hole of the top wall 24.
  • the central conductor 14a is only the shaft portion 14a1 and does not have a diameter-expanded portion.
  • the vertical cross-sectional shape of the central conductor 14a is I-shaped.
  • the outer diameter d of the central conductor 14a is the diameter of the shaft portion 14a1, and the size of the hole in the top wall 24 is the inner diameter D of the inner side wall 24b of the top wall 24.
  • the dielectric window 21 is composed of a first solid dielectric layer 21a and an air layer 21b in a vacuum space having a lower relative permittivity than the first solid dielectric layer 21a.
  • the coaxial line length L is the thickness of the top wall 24.
  • the thickness of the first solid dielectric layer 21a is thinner than the coaxial line length L.
  • the cutoff frequency fc of the coaxial line 201 composed of the central conductor 14a and the top wall 24 is outside the central conductor 14a so as to be larger than the frequency of the electromagnetic wave in the VHF band of 100 MHz or more to be applied.
  • the diameter d and the inner diameter D of the inner side wall 24b of the top wall 24 are defined.
  • the outer diameter d of the central conductor 14a and the inner side wall of the top wall 24 are set so that the cutoff frequency fc of the coaxial line 201 is at least twice the frequency of the electromagnetic wave in the VHF band of 100 MHz or more to be applied. It is more preferable that the inner diameter D of 24b is specified.
  • the plasma processing apparatus 1 of the present embodiment it is possible to block the propagation of high-order mode electromagnetic waves of electromagnetic waves in the VHF band of 100 MHz or higher and generate uniform plasma. Further, by reducing the diameter of the upper electrode 14, it is possible to achieve uniformity of plasma not only in the circumferential direction but also in the radial direction.
  • the electromagnet 35 By providing the electromagnet 35 on the top wall 24 or the side wall 10a, the electron density in the plasma is controlled by confining the electrons in the plasma in the magnetic flux of the electromagnet 35, so that the uniformity of the plasma can be further improved.
  • the plasma processing apparatus according to the embodiment disclosed this time is exemplary in all respects and is not restrictive.
  • the above embodiment can be modified and improved in various forms without departing from the scope of the attached claims and the gist thereof.
  • the matters described in the plurality of embodiments may have other configurations within a consistent range, and may be combined within a consistent range.
  • the plasma processing device 1 is not limited to a film forming device as long as it is a device that performs a predetermined treatment on a substrate using plasma, and may be an etching device, an ashing device, or the like.
  • Plasma processing device 10 Chamber 12 Mounting table 14 Upper electrode 14a Center conductor 14a 1 Shaft 14a2 Expanded diameter 20 Coaxial waveguide 21 Dielectric window 21a First solid dielectric layer 21b Air layer 24 Top wall 24b Internal side wall of top wall 30 VHF power supply 35 Electromagnet 40 Control unit 201 Coaxial line W board

Abstract

１００ＭＨｚ以上のＶＨＦ帯の電磁波をチャンバ内へ供給し、プラズマを生成して被処理体への処理を行うプラズマ処理装置であって、前記チャンバの一部を画成し、グランド電位である天壁と、前記天壁の中心部に設けられた穴に誘電体窓を介して設置され、前記電磁波を印加する中心導体と、を有し、前記中心導体の中心位置は、前記被処理体を載置する載置台の中心位置と略一致する位置に設けられ、前記中心導体と前記天壁とで構成される同軸線路のカットオフ周波数が、前記電磁波の周波数よりも大きくなるように、前記中心導体の外径と前記天壁の前記穴の寸法が規定されている、プラズマ処理装置が提供される。

Description

プラズマ処理装置
　本開示は、プラズマ処理装置に関する。
　例えば、特許文献１は、被処理基板Ｗに所定のプラズマ処理を施すプラズマ処理装置において、上部電極は、下部電極に対向するように電極板を備える。電極板は、導電体又は半導体で構成された外側部分と、誘電体部材または外側部分より高抵抗の高抵抗部材で構成された中央部分とを有する。これにより、上部電極に高周波電力が印加された際の電極表面における電界の不均一を抑制する。
特開２０００－３２３４５６号公報
　本開示は、１００ＭＨｚ以上のＶＨＦ帯の電磁波の高次モードの伝搬を遮断し、均一なプラズマを生成することができる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、１００ＭＨｚ以上のＶＨＦ帯の電磁波をチャンバ内へ供給し、プラズマを生成して被処理体への処理を行うプラズマ処理装置であって、前記チャンバの一部を画成し、グランド電位である天壁と、前記天壁の中心部に設けられた穴に誘電体窓を介して設置され、前記電磁波を印加する中心導体と、を有し、前記中心導体の中心位置は、前記被処理体を載置する載置台の中心位置と略一致する位置に設けられ、前記中心導体と前記天壁とで構成される同軸線路のカットオフ周波数が、前記電磁波の周波数よりも大きくなるように、前記中心導体の外径と前記天壁の前記穴の寸法が規定されている、プラズマ処理装置が提供される。
　一の側面によれば、１００ＭＨｚ以上のＶＨＦ帯の電磁波の高次モードの伝搬を遮断し、均一なプラズマを生成することができる。
参考例に係るプラズマ処理装置を示す断面模式図である。 参考例に係るプラズマ処理装置による成膜時の膜厚分布の一例を示す図である。 一実施形態に係るプラズマ処理装置を示す断面模式図である。 一実施形態に係る同軸導波管の寸法とカットオフ周波数の関係を示す表である。 一実施形態に係るカットオフ周波数と電磁波の減衰の一例を示す図である。 図５の同軸線路長が１００ｍｍまでの範囲を拡大した図である。 カットオフ周波数を説明するための図である。 一実施形態の変形例に係るプラズマ処理装置の上部電極を示す図である。 一実施形態の変形例に係るプラズマ処理装置の上部電極を示す図である。 一実施形態に係る同軸導波管の寸法とカットオフ周波数の関係を示す表である。 一実施形態に係るカットオフ周波数と電磁波の減衰の一例を示す図である。 図１０の同軸線路長が１００ｍｍまでの範囲を拡大した図である。
　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。
　[参考例]
　一実施形態に係るプラズマ処理装置１について説明する前に、図１及び図２を参照しながら参考例に係るプラズマ処理装置１００よる成膜時の膜厚分布の一例について説明する。図１は、参考例に係るプラズマ処理装置１００を示す断面模式図である。図２は、参考例に係る成膜時の膜厚分布の一例を示す図である。
　参考例に係るプラズマ処理装置１００は、チャンバ１０、載置台１２、上部電極１４、同軸導波管２０及びＶＨＦ電源３０を有する。チャンバ１０は、円筒形状を有し、鉛直方向に沿って延在している。チャンバ１０の中心軸線は、鉛直方向に延びる軸線ＡＸである。
　載置台１２は、チャンバ１０内に設けられ、被処理体の一例である基板Ｗが載置される。載置台１２の下方のチャンバ１０の底部には、排気口１０ｅが形成されている。排気口１０ｅに接続された排気装置により、排気空間Ｅｘを介してチャンバ１０内が真空引きされる。
　載置台１２の上方には、チャンバ１０内のプラズマ処理空間（以下、空間ＳＰという。）を介して上部電極１４が設けられている。上部電極１４は、円盤形状であり、中心導体１４ａと誘電体窓２１とを有する。載置台１２と上部電極１４とは対向し、載置台１２と上部電極１４との間の空間ＳＰにてプラズマが生成される。
　プラズマ処理装置１００は、空間ＳＰに電磁波を供給するために同軸導波管２０（導波経路ｒ）を有している。同軸導波管２０は、中心導体１４ａと天壁２４及び天壁２４に接続されるチャンバ１０の上部側壁１０ａとで構成される。同軸導波管２０の同軸線路２０１は、導波経路ｒに示すようにＶＨＦ波等の電磁波を空間ＳＰに導入する部分である。
　天壁２４及びチャンバ１０の上部側壁１０ａは、チャンバ１０の一部を画成し、グランド電位である。中心導体１４ａは、同軸導波管２０の内部導体を構成する。天壁２４及びチャンバ１０の上部側壁１０ａは、同軸導波管２０の外部導体を構成する。これにより、同軸導波管２０は同軸ケーブルと同じように機能する。
　誘電体窓２１は、同軸線路２０１の先端に設けられた環状の部材であり、電磁波が透過可能である。誘電体窓２１の下面は空間ＳＰに露出し、誘電体窓２１を透過した電磁波は空間ＳＰに放射される。
　上部電極１４の上方には、ＶＨＦ電源３０が、整合器３２を介して電気的に接続されている。ＶＨＦ電源３０は、ＶＨＦ帯の電磁波を発生する電源である。整合器３２は、ＶＨＦ電源３０から見た負荷側のインピーダンスをＶＨＦ電源３０の出力インピーダンスに整合させるための整合回路を含んでいる。係る構成により、電磁波は、導波経路ｒに示すように同軸線路２０１内の誘電体窓２１に伝搬し、誘電体窓２１を透過して誘電体窓２１の下面から空間ＳＰに供給される。
　一般に１００ＭＨｚ以上の周波数帯域の電磁波は、それよりも低い周波数帯の高周波と比較して伝搬する経路が異なる傾向にある。例えば６０ＭＨｚ以下の高周波が印加された場合、パッシェンの法則に基づき上部電極１４と載置台１２との間に放電現象が生じ、空間ＳＰにて処理ガスを元にしたプラズマが生成される。一方、１００ＭＨｚ以上の電磁波が上部電極１４に印加される場合、上部電極１４の表面（下面）を這うように電磁波が伝搬し、上部電極１４の表面近傍にて処理ガスがプラズマ化した表面波プラズマが生成される。
　参考例に係るプラズマ処理装置１００により、基板の一例として直径３００ｍｍのウェハに成膜したときの膜厚分布の一例を図２に示す。成膜時のプロセス条件としては、ガスにシランガス（ＳｉＨ４）、アンモニアガス（ＮＨ３）及びヘリウムガス（Ｈｅ）を用い、チャンバ内の圧力を６００ｍＴｏｒｒ（約８０Ｐａ）に制御した。また、２２０ＭＨｚの周波数であって２７００ＷのパワーのＶＨＦ帯の電磁波を印加し、絶縁膜を成膜した。
　この結果、図２に示すように、外周部の左右に膜が厚い部分が２箇所あり、その部分から９０°回転した部分に膜が薄い部分があり、膜厚分布に不均一が生じていた。膜厚分布はプラズマ分布の一つの指標である。
　本実験では、膜質の一例を示すＲＩ（屈折率）についても測定した。この結果、ＲＩの分布にもバラツキが生じた。係る結果から、１００ＭＨｚ以上の電磁波を用いて表面波プラズマが生成される場合、プラズマ分布の不均一性が課題となることがわかった。
　プラズマ分布の不均一性は電磁波のモードに起因すると考えられる。電磁波を同軸線路２０１から空間ＳＰ内に放射するとき、電磁波は基準モードとともに高次モードを含む。この高次モードの電磁波により生成された表面波プラズマに不均一が生じ、これにより膜質の不均一が発生したと考えられる。特に、同軸線路２０１に１００ＭＨｚ以上の周波数の電磁波を伝搬させると高次モードの電磁波が発生し膜質にバラツキを生じさせる。
　よって、本実施形態に係るプラズマ処理装置１では、高次モードの電磁波の伝搬を遮断可能な同軸導波管２０の設計を行う。例えば、電磁波のＴＥＭモードは基準のモードである。電磁波のＴＥ１１モードは高次モードのうち最も次数が低いモードである。よって、ＴＥ１１モードの電磁波の伝搬を遮断できれば、これよりも高い次数のすべての高次モードの電磁波の伝搬を遮断できる。そこで、本実施形態では、ＴＥ１１モードの伝搬を遮断できるサイズに同軸導波管２０を設計する。これにより、１００ＭＨｚ以上のＶＨＦ帯のＴＥ１１モード及びそれ以外の高次モードの電磁波の伝搬を遮断し、均一な表面波プラズマを生成し、膜の均質化を図ることができる。以下、ＴＥ１１モードの伝搬を遮断できるサイズに設計された同軸導波管２０を有する、本実施形態に係るプラズマ処理装置１について説明する。
　［プラズマ処理装置］
　本実施形態に係るプラズマ処理装置１について、図３を用いて説明する。図３は、一実施形態に係るプラズマ処理装置１を示す断面模式図である。プラズマ処理装置１は、チャンバ１０、載置台１２、上部電極１４、同軸導波管２０及びＶＨＦ電源３０を有する。
　チャンバ１０は、円筒形状を有し、鉛直方向に沿って延在している。チャンバ１０の中心軸線は、鉛直方向に延びる軸線ＡＸである。チャンバ１０は、アルミニウム又はアルミニウム合金といった導体から形成されている。チャンバ１０の表面上には、耐腐食性を有する膜が形成されている。耐腐食性を有する膜は、例えば酸化アルミニウム又は酸化イットリウムといったセラミックスである。
　載置台１２は、チャンバ１０内に設けられている。載置台１２は、その上面に載置された基板Ｗを略水平に支持するように構成されている。載置台１２は、円盤形状を有している。載置台１２の中心軸線は、軸線ＡＸに略一致している。
　載置台１２の下方のチャンバ１０の底部には、排気口１０ｅが形成されている。排気口１０ｅには、排気装置が接続されている。排気装置は、圧力制御弁並びにターボ分子ポンプ及び／又はドライポンプといった真空ポンプを含んでいる。排気装置により、排気空間Ｅｘを介してチャンバ１０内が真空引きされる。
　上部電極１４は、チャンバ１０内の空間ＳＰを介して載置台１２の上方に設けられている。上部電極１４は、円盤形状を有している。載置台１２と上部電極１４とは対向し、載置台１２と上部電極１４との間の空間ＳＰにて表面波プラズマが生成される。表面波プラズマは、上部電極１４の表面近傍に生成される。
　プラズマ処理装置１は、空間ＳＰに電磁波を供給するために同軸導波管２０（導波経路ｒ）を有している。同軸導波管２０は、中心導体１４ａと天壁２４とで構成され、同軸線路２０１から空間ＳＰに１００ＭＨｚ以上のＶＨＦ波の電磁波を導入する。中心導体１４ａは、同軸導波管２０の内部導体を構成する。天壁２４は、同軸導波管２０の外部導体を構成する。これにより、中心導体１４ａと天壁２４とから構成される同軸導波管２０は、同軸ケーブルと同じ機能を有する。
　天壁２４と中心導体１４ａとの中心軸線は、軸線ＡＸに略一致している。略一致とは、機械的加工精度から完全に一致しない場合も含む。天壁２４の中心に形成された貫通孔は天壁２４の内部で拡張され、段差部２４ａを形成し、これにより、天壁２４内にて外周側に延びる空間に中心導体１４ａを配置する。つまり、中心導体１４ａは、天壁２４の中心の貫通孔を貫通し、天壁２４内に外周側に延びる空間に設けられている。天壁２４は、チャンバ１０の一部を画成し、グランド電位である。
　中心導体１４ａは、アルミニウム等の金属であってもよいし、他の導体材料で形成されてもよい。中心導体１４ａは、軸部１４ａ１と、軸部１４ａ１の下部で軸部１４ａ１よりも径方向に拡張する拡径部１４ａ２とを有する。軸部１４ａ１は円柱状であり、拡径部１４ａ２は円盤形状である。中心導体１４ａは、縦断面形状がＴ字状である。
　天壁２４には、全体として環状になるように電磁石３５が埋設され、電磁石３５の磁束中にプラズマ中の電子を閉じ込めることによってプラズマの電子密度を高く維持することができる。これにより、プラズマの分布調整が可能になっている。電磁石３５は天壁２４及びチャンバ１０の側壁１０ａの少なくともいずれかに設けられてもよい。ただし、電磁石３５は設けられなくてもよい。
　同軸導波管２０に形成される誘電体窓２１は、少なくとも同軸線路２０１の先端に位置し、同軸線路２０１の内部とプラズマ空間とを仕切る第１の固体誘電層２１ａを有する。図３の例では、誘電体窓２１は第１の固体誘電層２１ａから構成され、第１の固体誘電層２１ａは、拡径部１４ａ２の外周端部と天壁２４の内部側壁２４ｂとの間に設けられる。第１の固体誘電層２１ａの厚さは、拡径部１４ａ２の厚さＬに概ね等しい。つまり、第１の固体誘電層２１ａは、後述する計算上、同軸線路として扱うことになる同軸線路２０１の全体に埋め込まれている。第１の固体誘電層２１ａは、電磁波を透過可能である。第１の固体誘電層２１ａの下面は空間ＳＰに露出し、第１の固体誘電層２１ａを透過した電磁波は空間ＳＰに放射される。
　上部電極１４の上方には、ＶＨＦ電源３０が整合器３２を介して電気的に接続されている。ＶＨＦ電源３０は、ＶＨＦ帯の電磁波を発生する電源である。特に、本実施形態では、ＶＨＦ電源３０は、１００ＭＨｚ以上のＶＨＦ帯の電磁波を出力する。整合器３２は、ＶＨＦ電源３０から見た負荷側のインピーダンスをＶＨＦ電源３０の出力インピーダンスに整合させるための整合回路を含んでいる。
　電磁波は、ＶＨＦ電源３０から同軸線路２０１内の誘電体窓２１に伝搬し、誘電体窓２１を透過して誘電体窓２１の下面から空間ＳＰに供給される。使用される電磁波は、１００ＭＨｚ以上であり３００ＭＨｚ以下のＶＨＦ波である。
　天壁２４および中心導体１４ａには、ガス配管が形成されている。ガス配管には、ガス供給源が接続されている。ガス供給源は、基板Ｗの処理のために用いられる一つ以上のガスを供給する。また、ガス供給源は、一つ以上のガスの流量をそれぞれ制御するための一つ以上の流量制御器を含む。天壁２４と中心導体１４ａの配管内に供給されたガスは、空間ＳＰに開口する複数のガス吐出孔を介して、空間ＳＰに吐出される。
　ガスは、空間ＳＰに形成された電磁波の表面波の電界により励起されて、当該ガスからプラズマ（表面波プラズマ）が生成される。載置台１２上の基板Ｗは、プラズマからの化学種によって処理される。
　なお、載置台１２には、静電チャック用の導電層と、ヒータ用の導電層が設けられてもよい。直流電源からの直流電圧が、静電チャック用の導電層に印加されると、載置台１２と基板Ｗとの間で静電引力が発生する。発生した静電引力により、基板Ｗは、載置台１２に引き付けられ、載置台１２によって保持される。
　プラズマ処理装置１は、バッフル部材を更に備えていてもよい。バッフル部材は、載置台１２とチャンバ１０の側壁との間で延在している。バッフル部材は、環状の板材である。バッフル部材には、複数の貫通口が形成されている。
　プラズマ処理装置１は、制御部４０を更に備え得る。制御部４０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。制御部４０は、プラズマ処理装置１の各部を制御する。制御部４０では、入力装置を用いて、オペレータがプラズマ処理装置１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、制御部４０では、表示装置により、プラズマ処理装置１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１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１の各部を制御する。これにより、１００ＭＨｚ以上のＶＨＦ帯の電磁波を中心導体１４ａへ印加し、生成したプラズマにより基板Ｗへの処理を行う。
　[同軸導波管の寸法とカットオフ周波数]
　プラズマ処理装置１では、同軸導波管２０の寸法がＴＥ１１モードの伝搬を遮断できるサイズに設計されている。ＴＥ１１モードの伝搬を遮断するための同軸導波管２０の寸法は、中心導体１４ａの外径と天壁２４の穴の寸法によって規定される。本実施形態では、中心導体１４ａと天壁２４とで構成される同軸線路２０１のカットオフ周波数が、チャンバ１０内に印加する１００ＭＨｚ以上のＶＨＦ帯の電磁波の周波数の２倍以上になるように、中心導体１４ａの外径と天壁２４の穴の寸法が規定される。
　以下、中心導体１４ａの外径と天壁２４の穴の寸法を、ＴＥ１１モードを遮断するサイズに最適化するために行ったシミュレーションの結果について説明する。図３の例では、中心導体１４ａの外径の寸法とは、拡径部１４ａ２の直径ｄであり、天壁２４の穴の寸法とは、拡径部１４ａ２の外周側壁と対向する天壁２４の内部側壁２４ｂの直径Ｄである。なお、図３に示す同軸線路２０１の長さ（同軸線路長Ｌ）は、拡径部１４ａ２の厚さに等しい。
　図４は、一実施形態に係る中心導体１４ａの外径と天壁２４の穴の寸法とカットオフ周波数の関係を示す表である。表内の数値が示すカットオフ周波数ｆｃとなる内径ｄ及び外径Ｄの寸法の組み合わせを示している。図４（ａ）は、比誘電率εｒが９．７のアルミナを第１の固体誘電層２１ａに使用したときの中心導体１４ａの外径（拡径部１４ａ２の直径ｄ）と天壁２４の穴（天壁の内部側壁２４ｂの直径Ｄ）とカットオフ周波数の関係を示している。なお、図４では、拡径部１４ａ２の直径ｄを内径（Inner diameter）ｄ［ｍｍ］とし、天壁の内部側壁２４ｂの直径Ｄを外径（Outer diameter）Ｄ［ｍｍ］として示す。
　［内径ｄが６０ｍｍ、外径Ｄが８０ｍｍの同軸導波管］
　例えば、第１の固体誘電層２１ａがアルミナ（εｒ＝９．７）で、内径ｄが６０ｍｍ、外径Ｄが８０ｍｍの同軸導波管２０について説明する。図４（ａ）から、この同軸導波管２０のカットオフ周波数ｆｃは４３８ＭＨｚである。つまり、４３８ＭＨｚよりも大きい周波数ｆの電磁波をＶＨＦ電源３０から印可した場合には、その高次モードの電磁波は減衰せずに伝搬してしまう。一方、上記サイズの同軸導波管２０では、４３８ＭＨｚよりも小さい周波数ｆの電磁波をＶＨＦ電源３０から印可した場合には、その高次モードの電磁波の伝搬を抑制することができる。安全率を２倍としたｆ＜ｆｃ／２の条件を満たす、２１９ＭＨｚよりも小さい周波数ｆの電磁波の高次モードを十分に減衰させることができる。
　図５は、一実施形態に係るカットオフ周波数と電磁波の減衰の一例を示す図である。横軸は電磁界を励起したポートからの同軸線路の線路方向への距離ｘ、縦軸は電界強度の複素振幅｜Ｅ｜を示す。カットオフ周波数ｆｃが４３８ＭＨｚであるｄ＝６０ｍｍ、Ｄ＝８０ｍｍの同軸導波管２０では、４３８ＭＨｚ以下の周波数の高次モードは減衰し、２１９ＭＨｚ（＝ｆｃ／２）及びこれよりも小さい周波数ｆの高次モードの電磁波は十分に減衰する。例えば、周波数ｆ１（４３．８ＭＨｚ）及び周波数ｆ２（２１９ＭＨｚ）の電磁波の電界は、同軸導波管２０内で単調減少し、十分に減衰している。
　一方、同サイズの同軸導波管２０では、ｆ＞ｆｃの条件を満たす、つまり、４３８ＭＨｚよりも大きい周波数ｆの高次モードの電磁波は減衰せず、同軸導波管２０内を伝搬する。例えば、カットオフ周波数ｆ５（＝ｆｃ）よりも大きい周波数ｆ６（４４２ＭＨｚ）、周波数ｆ７（４８１ＭＨｚ）及び周波数ｆ８（８７６ＭＨｚ）の電磁波の電界は、同軸導波管２０内で単調減少せず、同軸導波管２０内を伝搬している。
　図６は、図５の同軸線路長Ｌが１００ｍｍまでの範囲を拡大した図である。なお、一点鎖線Ｓは、励起させた電磁波の電界の半値の値を示している。図６を参照すると、周波数ｆ１（４３．８ＭＨｚ）及び周波数ｆ２（２１９ＭＨｚ）の電磁波の電界を一点鎖線Ｓが示す電界まで減衰させるためには、同軸線路長Ｌが少なくとも２０ｍｍは必要であることがわかる。
　図５に示す、ｆｃ＞ｆ≧ｆｃ／２の条件を満たす、２１９ＭＨｚ以上であって４３８ＭＨｚよりも小さい周波数ｆの高次モードの電磁波は減衰するが、ｆ＜ｆｃ／２の条件を満たす周波数ｆの高次モードの電磁波と比較すると減衰が少ない。例えば、図５に示すように、周波数ｆ３（３９４ＭＨｚ）及び周波数ｆ４（４３３ＭＨｚ）の電磁波の電界は、同軸導波管２０内で単調減少し、減衰している。しかしながら、周波数ｆ１及び周波数ｆ２の電磁波よりも単位距離当たりの減衰が少ない。周波数ｆ５（４３８ＭＨｚ）の電磁波の電界の減衰はさらに少ない。
　また、図６に示すように、周波数ｆ３（３９４ＭＨｚ）の電磁波の電界を一点鎖線Ｓが示す電界まで減衰させるためには、同軸線路長Ｌが少なくとも３０ｍｍ必要である。周波数ｆ４（４３３ＭＨｚ）の場合には同軸線路長Ｌをさらに長くする必要がある。
　以上から、中心導体１４ａと天壁２４とで構成される同軸線路２０１のカットオフ周波数ｆｃが、印可する電磁波の周波数の２倍以上になるように、中心導体１４ａの外径ｄと天壁２４の穴の内径Ｄの寸法を規定することが好ましい。これにより、１００ＭＨｚ以上のＶＨＦ帯の電磁波の高次モードの電磁波を十分に減衰させることができる。また、拡径部１４ａ２を小径にすることで、ウェハの中心部におけるプラズマの密度がウェハの外周部の密度よりも高くなる現象を抑制することできる。この結果、均一なプラズマを生成することができる。
　ただし、中心導体１４ａと天壁２４とで構成される同軸線路２０１のカットオフ周波数ｆｃが、印可する電磁波の周波数よりも大きくなるように、中心導体１４ａの外径ｄと天壁２４の穴の内径Ｄを規定してもよい。これによっても、１００ＭＨｚ以上のＶＨＦ帯の電磁波の高次モードの伝搬を概ね減衰させることができる。
　なお、本シミュレーションに用いたカットオフ周波数ｆｃについて図７を参照しながら簡単に説明する。図７は、カットオフ周波数ｆｃを説明するための図である。図７に示すように、同軸導波管の内部導体の外径をｄとし、外部導体の内径をＤとすると、式（１）により、カットオフ周波数ｆｃが算出される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
 　ここで、ｃは光速（３×１０８[ｍ／ｓ]）、εｒは誘電体の比誘電率である。
　図４（ａ）のＡで示す枠内は、シミュレーション条件である２００ＭＨｚの周波数の電磁波の２倍以上のカットオフ周波数ｆｃを示す範囲である。このＡ枠内のカットオフ周波数ｆｃを持つサイズになるように中心導体１４ａの外径ｄと天壁２４の穴の内径Ｄを規定すれば２００ＭＨｚの周波数の電磁波を印加したときにＴＥ１１モード及びその他の高次モードの電磁波を十分に減衰できる。これにより、均一なプラズマを生成することが可能となる。
　図４（ａ）のＢで示す枠内は、シミュレーション条件である２００ＭＨｚの周波数の電磁波よりも小さいカットオフ周波数ｆｃを示す範囲である。このＢ枠内のカットオフ周波数ｆｃを持つサイズになるように中心導体１４ａの外径ｄと天壁２４の穴の内径Ｄを規定すると２００ＭＨｚの周波数の電磁波を印加したときにＴＥ１１モード及びその他の高次モードの電磁波は伝搬し、遮断することはできない。
　なお、中心導体１４ａの外径ｄが６０ｍｍ、天壁２４の穴の内径Ｄが８０ｍｍの場合、図６に示すように、同軸線路長Ｌを少なくとも２０ｍｍに規定する。同軸線路長Ｌを４０ｍｍに規定すれば、更に高次モードを十分に減衰できる。また、Ａ枠とＢ枠に含まれないカットオフ周波数ｆｃを持つサイズになるように中心導体１４ａの外径ｄと天壁２４の穴の内径Ｄを規定するとｆｃ＞ｆ≧ｆｃ／２の条件を満たす周波数ｆの高次モードの電磁波は減衰する。しかし、その減衰量はＡ枠のｆ＜ｆｃ／２の条件を満たす周波数ｆの高次モードの電磁波の減衰量よりも小さい。
　プラズマから遠い位置において同軸線路２０１の寸法を規定し、高次モードの電磁波の伝搬を抑制することは困難である。一方、プラズマに近い中心導体１４ａ及び天壁２４の穴のサイズを規定することで高次モードの電磁波の伝搬抑制は可能である。
　更に、以上に説明したようにＡ枠内のカットオフ周波数ｆｃを持つサイズになるように中心導体１４ａの拡径部１４ａ２の直径を小さくすることで、上部電極１４を伝搬する電磁波の表面波による電界分布をより均一に生成し、周方向だけでなく径方向にも均一なプラズマを生成できる。さらに、電磁石３５の磁束中にプラズマ中の電子を閉じ込めることによってプラズマの電子密度を制御できる。
　図４（ｂ）は、比誘電率εｒが１の真空空間の空気層を同軸線路２０１に使用したときの同軸導波管２０の寸法とカットオフ周波数の関係を示す。
　例えば、図８Ａ及び図８Ｂは、一実施形態の変形例に係るプラズマ処理装置１の上部電極１４の一例を示す図である。図８Ａに示すように、同軸線路２０１の一部に第１の固体誘電層２１ａを使用し、他の部分に空気層２１ｂを有してもよい。この場合、第１の固体誘電層２１ａの厚さは、拡径部１４ａ２の厚さよりも薄い。
　空気層２１ｂが、比誘電率が第１の固体誘電層２１ａよりも低い真空空間である場合、空気層２１ｂの部分に関して、図４（ｂ）のＡ枠内に示すように、２００ＭＨｚの周波数の電磁波の２倍以上のカットオフ周波数ｆｃを示す範囲が広がる。カットオフ周波数ｆｃの範囲が広がることで、遮断できる高次モードの電磁波の範囲を広げることができる。このため、中心導体１４ａの外径ｄと天壁２４の穴の内径Ｄを規定できる範囲が広がり、設計上の自由度が広がる。
　ただし、同軸線路２０１の先端には、プラズマ空間との仕切りとなり、同軸線路２０１内にプラズマを進入させないように第１の固体誘電層２１ａを設ける必要がある。第１の固体誘電層２１ａの厚さは、同軸線路長Ｌに対して１／４以下であってもよい。加えて、機械的強度の観点から第１の固体誘電層２１ａの厚さは５ｍｍ以上であればよい。図８Ａに示すように、誘電体窓２１を第１の固体誘電層２１ａと空気層２１ｂとから構成することで、カットオフ周波数ｆｃの範囲を広げ、設計上の自由度及び／又は遮断できる高次モードの電磁波の範囲を広げることができる。
　誘電体窓２１は、誘電体窓２１の一部に第１の固体誘電層２１ａを有し、他の部分に第１の固体誘電層２１ａよりも比誘電率が低い第２の固体誘電層を有してもよい。
　第１の固体誘電層２１ａは、例えばアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）及び石英のいずれかの物質であってもよい。第１の固体誘電層２１ａは、これらのアルミナ、窒化アルミニウム及び石英よりも比誘電率の低い物質であってもよい。第２の固体誘電層は、第１の固体誘電層２１ａよりも更に比誘電率の低い物質である。
　[内径ｄが１４０ｍｍ、外径Ｄが１６０ｍｍの同軸導波管]
　次に、内径ｄが１４０ｍｍ、外径Ｄが１６０ｍｍの同軸導波管の場合について説明する。図９は、一実施形態に係る同軸導波管２０の寸法とカットオフ周波数ｆｃの関係を示す図である。例えば、内径ｄが１４０ｍｍ、外径Ｄが１６０ｍｍの同軸導波管２０のカットオフ周波数ｆｃはＣ枠内に示す２０４ＭＨｚである。よって、上記サイズの同軸導波管２０では、ｆ＜ｆｃ／２の条件を満たす、１０２ＭＨｚよりも小さい周波数ｆの高次モードの電磁波を十分に減衰できる。一方、内径ｄが１４０ｍｍ、外径Ｄが１６０ｍｍの同軸導波管２０では、ｆ＞ｆｃの条件を満たす、つまり、２０４ＭＨｚよりも大きい周波数ｆの高次モードの電磁波は減衰せず、伝搬する。
　図１０は、一実施形態に係るカットオフ周波数と電磁波の減衰の一例を示す図である。横軸は電磁界を励起したポートからの同軸線路の線路方向への距離ｘ、縦軸は電界強度の複素振幅｜Ｅ｜を示す。カットオフ周波数ｆｃが２０４ＭＨｚとなるｄ＝１４０ｍｍ、Ｄ＝１６０ｍｍの同軸導波管２０では、ｆ＜ｆｃ／２の条件を満たす、１０２ＭＨｚ以下の周波数ｆの高次モードの電磁波を十分に減衰できる。例えば、周波数ｆ９（２０．４ＭＨｚ）及び周波数ｆ１０（１０２ＭＨｚ）の電磁波の電界は、同軸導波管２０内で単調減少し、十分に減衰している。
　一方、同サイズの同軸導波管２０では、ｆ＞ｆｃの条件を満たす、つまり、２０４ＭＨｚよりも大きい周波数ｆの高次モードの電磁波は減衰せず、伝搬する。例えば、周波数ｆ１４（２０６ＭＨｚ）、周波数ｆ１５（２２４ＭＨｚ）及び周波数ｆ１６（４０８ＭＨｚ）の電磁波は、同軸導波管２０内で単調減少せず、同軸導波管２０内を伝搬している。
　図１１は、図１０の同軸線路長Ｌが１００ｍｍまでの範囲を拡大した図であり、励起させた電磁波の電界が半値に減衰するのに必要な同軸線路長Ｌを示している。なお、一点鎖線Ｓは、励起させた電磁波の電界の半値の値を示している。図１１を参照すると、周波数ｆ９（２０．４ＭＨｚ）及び周波数ｆ１０（１０２ＭＨｚ）の電磁波の電界を一点鎖線Ｓが示す電界まで十分に減衰させるためには、同軸線路長Ｌが少なくとも３５ｍｍは必要であることがわかる。周波数ｆ１１の電磁波の電界を一点鎖線Ｓが示す電界まで十分に減衰させるためには、同軸線路長Ｌをさらに長くする必要がある。
　図１０に示す、１０２ＭＨｚよりも大きく２０４ＭＨｚよりも小さい周波数ｆの高次モードの電磁波は減衰するが、１０２ＭＨｚ以下の周波数ｆの高次モードの電磁波と比較すると減衰が少ない。例えば、図１０に示すように、周波数ｆ１１（１８３ＭＨｚ）及び周波数ｆ１２（２０１ＭＨｚ）の電磁波の電界は、同軸導波管２０内で単調減少し、減衰している。しかしながら、周波数ｆ９及び周波数ｆ１０の電磁波よりも減衰が少ない。周波数ｆ１３（２０４ＭＨｚ）の電磁波の電界の減衰はさらに少ない。
　以上から、中心導体１４ａと天壁２４とで構成される同軸線路２０１のカットオフ周波数ｆｃが、印可する電磁波の周波数の２倍以上になるように、中心導体１４ａの外径ｄと天壁２４の穴の内径Ｄの寸法が規定されていることが好ましい。これにより、１００ＭＨｚ以上のＶＨＦ帯の電磁波の高次モードの伝搬を確実に遮断し、かつ、ウェハの中心部のプラズマの密度がウェハの外周部の密度よりも高くなる現象を抑制し、均一なプラズマを生成することができる。
　なお、同軸導波管２０は、中心導体１４ａ及び天壁２４の少なくともいずれかに多少の凹部や凸部があっても、中心導体１４ａが内部導体となり、天壁２４が外部導体となって同軸ケーブルとして機能する構成であればよい。
　更に同軸導波管２０の他の構成として、図８Ｂは、一実施形態の他の変形例に係るプラズマ処理装置１の上部電極１４を示す図である。図８Ｂでは、上部電極１４は、天壁２４の貫通口に設けられている。この場合、天壁２４の貫通口は、天壁２４の内部側壁２４ｂであり、天壁２４の穴に相当する。
　この場合、中心導体１４ａは、軸部１４ａ１のみであり拡径部を有しない。中心導体１４ａの縦断面形状はＩ字状である。中心導体１４ａの外径ｄは、軸部１４ａ１の直径であり、天壁２４の穴の寸法は、天壁２４の内部側壁２４ｂの内径Ｄである。誘電体窓２１は、第１の固体誘電層２１ａと、第１の固体誘電層２１ａよりも比誘電率が低い真空空間の空気層２１ｂとから構成される。この場合、同軸線路長Ｌは天壁２４の厚さである。第１の固体誘電層２１ａの厚さは、同軸線路長Ｌよりも薄い。
　図８Ｂの例では、中心導体１４ａと天壁２４とで構成される同軸線路２０１のカットオフ周波数ｆｃが、印可する１００ＭＨｚ以上のＶＨＦ帯の電磁波の周波数よりも大きくなるように中心導体１４ａの外径ｄと天壁２４の内部側壁２４ｂの内径Ｄが規定されている。図８Ｂの例においても、同軸線路２０１のカットオフ周波数ｆｃが、印可する１００ＭＨｚ以上のＶＨＦ帯の電磁波の周波数の２倍以上になるように中心導体１４ａの外径ｄと天壁２４の内部側壁２４ｂの内径Ｄが規定されているとさらに好ましい。これにより、ＴＥ１１モード及びその他の高次モードの電磁波の伝搬を遮断し、均一なプラズマを生成することができる。
　以上に説明したように、本実施形態のプラズマ処理装置１によれば、１００ＭＨｚ以上のＶＨＦ帯の電磁波の高次モードの電磁波の伝搬を遮断し、均一なプラズマを生成することができる。また、上部電極１４を小径化することで、周方向だけでなく、径方向のプラズマの均一性を図ることができる。天壁２４や側壁１０ａに電磁石３５を設けることで電磁石３５の磁束中にプラズマ中の電子を閉じ込めることによってプラズマの電子密度を制御することで、さらにプラズマの均一性を高めることができる。
　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。
　プラズマ処理装置１は、プラズマを用いて基板に所定の処理を施す装置であれば、成膜装置に限られず、エッチング装置、アッシング装置等であってもよい。
　本国際出願は、２０２０年５月２６日に出願された米国特許出願１６／８８３，０８７号に基づく優先権を主張するものであり、その全内容を本国際出願に援用する。
１　　　　　プラズマ処理装置
１０　　　　チャンバ
１２　　　　載置台
１４　　　　上部電極
１４ａ　　　中心導体
１４ａ１　　軸部
１４ａ２　　拡径部
２０　　　　同軸導波管
２１　　　　誘電体窓
２１ａ　　　第１の固体誘電層
２１ｂ　　　空気層
２４　　　　天壁
２４ｂ　　　天壁の内部側壁
３０　　　　ＶＨＦ電源  
３５　　　　電磁石
４０　　　　制御部
２０１　　　同軸線路
Ｗ　　　　　基板

Claims (10)

  1. 　１００ＭＨｚ以上のＶＨＦ帯の電磁波をチャンバ内へ供給し、プラズマを生成して被処理体への処理を行うプラズマ処理装置であって、
    　前記チャンバの一部を画成し、グランド電位である天壁と、
    　前記天壁の中心部に設けられた穴に誘電体窓を介して設置され、前記電磁波を印加する中心導体と、を有し、
    　前記中心導体の中心位置は、前記被処理体を載置する載置台の中心位置と略一致する位置に設けられ、
    　前記中心導体と前記天壁とで構成される同軸線路のカットオフ周波数が、前記電磁波の周波数よりも大きくなるように、前記中心導体の外径と前記天壁の前記穴の寸法が規定されている、
    　プラズマ処理装置。
  2. 　前記同軸線路のカットオフ周波数が、前記電磁波の周波数の２倍以上になるように、前記中心導体の外径と前記天壁の前記穴の寸法が規定されている、
    　請求項１に記載のプラズマ処理装置。
  3. 　前記同軸線路の線路長は、２０ｍｍ以上である、
    　請求項１又は２に記載のプラズマ処理装置。
  4. 　前記誘電体窓は、少なくとも前記同軸線路の先端に設けられ、前記同軸線路の内部とプラズマ空間とを仕切る第１の固体誘電層を有する、
    　請求項１～３のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。
  5. 　前記誘電体窓は、前記同軸線路の内部に設けられ、前記第１の固体誘電層よりも比誘電率が低い第２の固体誘電層又は空気層を有する、
    　請求項４に記載のプラズマ処理装置。
    処理装置。
  6. 　前記空気層は、真空空間である、
    　請求項５に記載のプラズマ処理装置。
  7. 　前記第１の固体誘電層は、アルミナ、窒化アルミニウム及び石英のいずれかの物質、又は、前記いずれかの物質よりも比誘電率の低い物質である、
    　請求項４～６のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。
  8. 　前記第１の固体誘電層の厚さは、同軸線路長に対して１／４以下である、
    　請求項４～７のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。
  9. 　前記天壁又はチャンバの側部の少なくともいずれかに電磁石を有する、
    　請求項１～８のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。
  10. 　前記中心導体の縦断面形状は、Ｉ字状又はＴ字状であり、
    　前記Ｉ字状の場合、前記中心導体の外径は、前記中心導体の軸部の直径であり、
    　前記Ｔ字状の場合、前記中心導体の外径は、前記中心導体の拡径部の直径である、
    　請求項１～９のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。
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