WO2022044864A1 - プラズマ処理装置、プラズマ処理方法、および誘電体窓 - Google Patents

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WO2022044864A1
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electromagnetic wave
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英紀 鎌田
裕是 金子
太郎 池田
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東京エレクトロン株式会社
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    • H05H1/24—Generating plasma
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Definitions

  • the present disclosure relates to a plasma processing apparatus, a plasma processing method, and a dielectric window.
  • Patent Document 1 describes a method of modifying the reaction rate on a semiconductor substrate in a processing chamber by using a phased array microwave antenna in such a plasma processing apparatus. Specifically, the plasma is excited in the processing chamber, the microwave radiation beam is emitted from the phased array of the microwave antenna, and the beam is plasma so as to change the reaction rate on the surface of the semiconductor substrate in the processing chamber. It is stated that the direction is given to.
  • the present disclosure provides a plasma processing apparatus and a plasma processing method capable of generating localized plasma even in a high electron density region, and a dielectric window.
  • the plasma processing apparatus includes a chamber having a processing space for applying plasma processing to a substrate and a synthetic space for synthesizing electromagnetic waves, a dielectric window separating the processing space and the synthetic space, and the synthetic space.
  • An antenna unit that has a plurality of antennas that radiate electromagnetic waves and functions as a phased array antenna, an electromagnetic wave output unit that outputs electromagnetic waves to the antenna unit, and a control unit that causes the antenna unit to function as a phased array antenna.
  • the dielectric window has a plurality of recesses on the surface on the processing space side.
  • a plasma processing apparatus and a plasma processing method capable of generating localized plasma even in a high electron density region, and a dielectric window are provided.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view showing a plasma processing apparatus according to an embodiment.
  • the plasma processing apparatus 100 of the present embodiment forms a surface wave plasma by electromagnetic waves (microwaves), and the formed plasma (mainly surface wave plasma) is used for plasma processing such as film formation processing and etching processing on the substrate W.
  • a semiconductor wafer can be mentioned as a typical example of the substrate W, but the substrate W is not limited to this, and may be another substrate such as an FPD substrate or a ceramic substrate.
  • the plasma processing device 100 includes a chamber 1, an antenna unit 2, an electromagnetic wave output unit 3, and a control unit 4.
  • the chamber 1 has a substantially cylindrical shape and has a container portion 11 having an open upper portion and a top plate 12 that closes the upper opening of the container portion 11.
  • the chamber 1 is made of a metal material such as aluminum or stainless steel.
  • the space in the chamber 1 is divided into upper and lower parts by a dielectric window 13, the space above the dielectric window 13 is a synthetic space 14 for synthesizing electromagnetic waves, and the space below is a plasma treatment for the substrate W.
  • the processing space is 15.
  • the synthetic space 14 is an atmospheric space, and electromagnetic waves are radiated into the synthetic space 14 from a plurality of antennas described later in the antenna unit 2, and the radiated electromagnetic waves are synthesized.
  • the dielectric window 13 is made of a dielectric, and a plurality of recesses 16 are formed on the surface on the processing space 15 side.
  • the dielectric window 13 will be described in detail later.
  • a disk-shaped stage 21 on which the substrate W is placed in a horizontal state is provided, and a surface wave plasma for processing the substrate W is formed.
  • the processing space 15 is evacuated during plasma processing.
  • the stage 21 is supported by a cylindrical support member 23 erected via the insulating member 22.
  • Examples of the material constituting the stage 21 include a metal such as aluminum whose surface has been anodized and a dielectric such as ceramics.
  • the stage 21 may be provided with an electrostatic chuck for electrostatically adsorbing the substrate W, a temperature control mechanism, a gas flow path for supplying a gas for heat transfer on the back surface of the substrate W, and the like.
  • a high frequency bias power supply may be electrically connected to the stage 21 via a matching device.
  • ions in the plasma are drawn into the substrate W side.
  • An exhaust pipe 24 is connected to the bottom of the chamber 1, and an exhaust device 25 including a pressure control valve and a vacuum pump is connected to the exhaust pipe 24.
  • an exhaust device 25 including a pressure control valve and a vacuum pump is connected to the exhaust pipe 24.
  • the exhaust device 25 When the exhaust device 25 is operated, the inside of the processing space 15 of the chamber 1 is exhausted, and the pressure is reduced to a predetermined degree of vacuum.
  • a carry-in outlet 26 for carrying in and out the substrate W and a gate valve 27 for opening and closing the carry-in outlet 26 are provided on the side wall of the chamber 1.
  • a shower ring having a ring-shaped gas flow path internally formed as a gas introduction portion at a position below the dielectric window 13 on the side wall of the chamber 1 and having a plurality of gas discharge holes that open inward from the gas flow path. 28 is provided, and a gas supply mechanism 29 is connected to the shower ring 28.
  • a rare gas such as Ar gas used as a plasma generating gas and a processing gas for plasma treatment are supplied from the gas supply mechanism 29.
  • the antenna unit 2 radiates the electromagnetic wave output from the electromagnetic wave output unit 3 from above the chamber 1 to the synthetic space 14 in the chamber 1, and has a plurality of antenna modules 31.
  • the antenna module 31 has a phase detector 32, an amplifier unit 33, and an electromagnetic wave radiating unit 34.
  • the electromagnetic wave radiating unit 34 has a transmission line 35 for transmitting the electromagnetic wave amplified by the amplifier unit 33, and an antenna 36 extending from the transmission line 35 and radiating the electromagnetic wave to the composite space 14.
  • the phase detector 32 and the amplifier unit 33 of the antenna module 31 are provided above the chamber 1.
  • FIG. 1 shows an example in which a helical antenna is used as the antenna 36.
  • Helical antennas are merely an example and are not limited to these, but helical antennas are preferable because they have high directivity in the axial direction and have little mutual coupling between antennas.
  • the phase detector 32 changes the phase of the electromagnetic wave, and is configured so that the phase can be adjusted by advancing or delaying the phase of the electromagnetic wave radiated from the antenna 36.
  • By adjusting the phase of the electromagnetic wave by the phase device 32 it is possible to concentrate the electromagnetic wave at a desired position of the dielectric window 13 by utilizing the interference of the electromagnetic wave radiated from the plurality of antennas 36.
  • the amplifier unit 33 has a variable gain amplifier, a main amplifier constituting a solid state amplifier, and an isolator.
  • the variable gain amplifier is an amplifier for adjusting the power level of the electromagnetic wave input to the main amplifier, adjusting the variation of the individual antenna modules 31, or adjusting the electromagnetic wave intensity.
  • the main amplifier can be configured to include, for example, an input matching circuit, a semiconductor amplification element, an output matching circuit, and a high Q resonance circuit.
  • the isolator separates the reflected electromagnetic wave reflected by the antenna 36 and directed to the main amplifier.
  • the transmission path 35 of the electromagnetic wave radiating section 34 is fitted in the top plate 12, and the lower end of the transmission path 35 is at the same height as the inner wall of the top plate.
  • the antenna 36 extends from the lower end of the transmission line 35 into the composite space 14 so that its axis is in the vertical direction. That is, the antenna 36 extends from the inner surface of the upper wall of the synthetic space 14 into the synthetic space 14.
  • the antenna 36 copper, brass, silver-plated aluminum, or the like can be used.
  • the transmission line 35 has an inner conductor 41 arranged in the center, an outer conductor 42 arranged around the inner conductor 41, and a dielectric member such as Teflon (registered trademark) provided between them. It has 43 and is in the form of a coaxial cable. Reference numeral 44 is a sleeve.
  • the antenna 36 is connected to the inner conductor 41.
  • a plurality of antenna modules 31 are evenly provided on the top plate 12.
  • the number of antenna modules 31 is set to an appropriate number so that an appropriate plasma is formed.
  • seven antenna modules 31 are provided (only three are shown in FIG. 1).
  • the antenna unit 2 functions as a phased array antenna.
  • the electromagnetic wave output unit 3 includes a power supply 51, an oscillator 52, an amplifier 53 that amplifies the oscillated electromagnetic wave, and a distributor 54 that distributes the amplified electromagnetic wave to each antenna module 31. Therefore, an electromagnetic wave is output to each antenna module 31.
  • the oscillator 52 oscillates an electromagnetic wave, for example, PLL.
  • the electromagnetic wave for example, an electromagnetic wave having a frequency of 860 MHz is used.
  • the frequency of the electromagnetic wave in addition to 860 MHz, a frequency in the microwave band in the range of 300 MHz to 3 GHz can be preferably used.
  • the distributor 54 distributes the electromagnetic wave amplified by the amplifier 53.
  • the control unit 4 has a CPU and controls each component in the plasma processing device 100.
  • the control unit 4 includes a storage unit that stores the control parameters and processing recipes of the plasma processing device 100, an input means, a display, and the like.
  • the control unit 4 controls the power of the electromagnetic wave output unit 3, the supply of gas from the gas supply mechanism 29, and the like. Further, the control unit 4 outputs a control signal to the phase device 32 of each antenna module 31, controls the phase of the electromagnetic wave radiated from the electromagnetic wave radiating unit 34 (antenna 36) of each antenna module 31, and interferes with the electromagnetic wave. It is generated and controlled so that the electromagnetic wave is focused on the desired portion of the dielectric window 13. That is, the control unit 4 controls the antenna unit 2 so as to function as a phased array antenna. In the following description, concentrating electromagnetic waves on a desired portion by phase shift control is referred to as light collection.
  • the phase detector 32 is controlled by the control unit 4, for example, by storing a plurality of tables showing the relationship between the phase of each antenna module and the focusing position of the electromagnetic wave in the storage unit in advance and switching the tables at high speed. Can be done.
  • the antenna unit 2, the electromagnetic wave output unit 3, and the control unit 4 constitute a plasma source that generates plasma for plasma processing.
  • the dielectric window 13 has a function of transmitting electromagnetic waves synthesized in the synthetic space 14.
  • Examples of the dielectric constituting the dielectric window 13 include ceramics such as quartz and alumina (Al 2 O 3 ), fluorine-based resins such as polytetrafluoroethylene, and polyimide-based resins.
  • plasma P is generated by electromagnetic waves transmitted through the dielectric window 13 in a plurality of recesses 16 formed on the surface of the dielectric window 13 on the processing space 15 side. That is, the recess 16 has a function of confining the plasma P. More specifically, the electromagnetic wave synthesized in the synthetic space 14 and focused at the desired position of the dielectric window 13 passes through the dielectric window 13 and reaches the processing space 15 to generate plasma P in the recess 16. At this time, the recess 16 traps the generated plasma P and prevents it from spreading in the in-plane direction.
  • the electromagnetic wave E transmitted through the dielectric window 13' is to some extent in the processing space 15. It penetrates into the plasma P and spreads in the in-plane direction not so much.
  • the plasma density increases and becomes a high plasma density (high electron density) exceeding the cutoff density nc expressed by the following equation depending on the frequency, it permeates into the plasma P as shown in FIG. 7.
  • the electromagnetic wave E is attenuated, and the spread of the electromagnetic wave in the plane direction becomes large. As described above, when the spread of the plasma in the plane direction becomes large, it becomes difficult to generate the localized plasma which is the object of the phased array antenna.
  • n c is 9.1743 ⁇ 109 [cm -3 ].
  • a plurality of recesses 16 are provided on the surface of the dielectric window 13 on the processing space 15 side so that plasma is generated in the recesses 16 to confine the plasma and spread in the surface direction of the plasma. To suppress.
  • the effect of the recess 16 is exhibited even in a low-density plasma, but it is particularly effective when generating a plasma having a high plasma density in which the plasma density exceeds the cutoff density nc .
  • the depth of the recess 16 is preferably such that the plasma can be confined.
  • the measured data of the electron density at 67 Pa in the plasma of Ar gas is as shown in FIG. 8, and the electron density takes the maximum value at the position of 18 mm from the dielectric window. Therefore, as shown in FIG. 9, the plasma is confined in the recess when the depth of the recess 16 is 18 mm or more. Therefore, the depth of the recess is preferably 18 mm or more.
  • the size of the recess 16 is not particularly limited, and can be appropriately set according to the required plasma size.
  • the shape of the recess 16 is not particularly limited, but as shown in FIG. 10, which is a bottom view, a shape having a circular planar shape is preferable.
  • the vertical cross-sectional shape of the recess 16 may be a straight shape (cylindrical shape) as shown in FIG. 11A.
  • the frontage on the processing space 15 side may be a wide cone shape. Since the cone shape has an angle wider than 90 °, the discharge is stable.
  • the shape may have rounded corners as shown in FIG. 11 (c), or may have a chamfered shape as shown in FIG. 11 (d).
  • the number and pitch of the recesses 16 are not particularly limited, and can be appropriately set so that uniform plasma is generated on the entire surface of the substrate W while generating the target local plasma.
  • the pitch which is the distance between the centers of the recesses 16, is preferably 56 mm or less, and the number of recesses 16 is preferably 37 or more when the substrate W is a 300 mm wafer.
  • the recess 16 is uniformly provided in the arrangement region of the substrate W.
  • the arrangement region of the substrate W is divided into a plurality of regions according to the region where plasma is generated, it is preferable that the number of recesses 16 in each division is the same. Further, it is preferable that the region where the recess 16 of the dielectric window 13 is formed is wider than the arrangement region of the substrate W.
  • FIG. 12 and 13 show an example of arrangement of the recess 16 in the dielectric window 13. All of these show the case where the substrate W corresponds to a 300 mm wafer.
  • FIG. 12 shows an example in which the number of recesses 16 is 37, the pitch of the recesses is 56 mm, the recesses 16 are cone-shaped, and the diameter of the frontage is 36 mm.
  • FIG. 13 shows an example in which the number of recesses 16 is 87, the pitch of the recesses is 40 mm, the recesses 16 are cone-shaped, and the diameter of the frontage is 24 mm.
  • the number of recesses 16 is 7 in all sections, which can be made uniform.
  • FIG. 13 for example, when one section is a hexagon having a side of 40 mm, the number of recesses 16 is 7 in all sections, and the number of recesses can be made uniform.
  • the broken lines in FIGS. 12 and 13 indicate the position of the substrate W.
  • the interference of the electromagnetic wave is used to move the condensing portion of the electromagnetic wave to generate plasma in the recess 16 corresponding to the condensing portion, but the plasma corresponding to the condensing portion at a certain point in time is , It may be generated not only in one recess 16 but also in the recess 16 around it. In this case, the plasma intensity of the central recess 16 is high, and the plasma intensity of the peripheral recess 16 is low.
  • the gate valve 27 is opened and the substrate W is carried from the vacuum transfer chamber adjacent to the chamber 1 into the processing space 15 of the vacuum-exhausted chamber 1 via the carry-in outlet 26 by a transfer device (neither is shown). , Placed on stage 21.
  • the processing space 15 is adjusted to a predetermined vacuum pressure by the exhaust device 25, and the gas for plasma processing is introduced into the processing space 15 from the gas introduction mechanism 29 while being introduced from the electromagnetic wave output unit 3.
  • the electromagnetic wave output from the electromagnetic wave output unit 3 is supplied to the plurality of antenna modules 31 of the antenna unit 2, and is radiated from the electromagnetic wave radiation unit 34 of the plurality of antenna modules 31 to the synthetic space 14 of the chamber 1.
  • the phase of the electromagnetic wave E radiated from the electromagnetic wave radiating unit 34 (antenna 36) of each antenna module 31 is controlled by outputting the control signal from the control unit 4 to the phase unit 32. .. That is, the antenna unit 2 functions as a phased array antenna.
  • the antenna unit 2 functions as a phased array antenna.
  • electromagnetic wave interference is generated in the synthetic space 14, and a condensing portion of the electromagnetic wave E, that is, a portion having a high electromagnetic wave intensity is formed in a desired portion of the dielectric window 13, and an electromagnetic wave radiated from the electromagnetic wave radiating portion 34.
  • the condensing portion of the electromagnetic wave can be moved at high speed.
  • the electromagnetic wave distribution can be made uniform.
  • the electromagnetic wave focused on the dielectric window 13 passes through the dielectric window 13, and the electric field generates a localized plasma at a position directly below the focused portion in the processing space 15. Then, uniform plasma generation is expected as a whole due to the high-speed movement of the localized plasma accompanying the high-speed movement of the electromagnetic wave condensing portion.
  • the electromagnetic wave transmitted through the dielectric window 13 spreads in the in-plane direction as a surface wave directly under the dielectric window 13, and a surface wave plasma is generated in the processing space 15.
  • the plasma density is low, as shown in FIG. 6 described above, the electromagnetic wave E penetrates into the plasma P to some extent, so that the spread of the plasma in the plane is not so large.
  • the plasma density becomes a high plasma density (high electron density) exceeding the cutoff density nc
  • the electromagnetic wave penetrating into the plasma is attenuated and the spread of the electromagnetic wave in the plane direction is large as shown in FIG. 7 described above. Become.
  • a plurality of recesses 16 are provided on the surface of the dielectric window 13 on the processing space 15 side so that the plasma P is generated in the recesses 16 and the surface of the plasma P. Suppress the spread in the direction.
  • the localized plasma that is the purpose of the phased array antenna can be generated, and the localized plasma can be produced at high speed by high-speed phase control. It is possible to generate a uniform plasma in the entire processing space 15 by moving the plasma. Further, since the plasma localized in this way can be generated, it is possible to realize a pseudo pulse plasma expected by high-speed phase control even if the plasma density is high with a cutoff density of nc or more. And can achieve the desired low damage process.
  • FIG. 15 is a schematic diagram for explaining the light collection principle in the plasma processing apparatus 100 according to the embodiment.
  • the back surface of the top plate 12 where the electromagnetic wave radiation position from the electromagnetic wave radiation unit 34 exists is the radiation surface R
  • the surface of the dielectric window 13 to which the electromagnetic wave is irradiated is the irradiation surface F
  • the distance between the radiation surface R and the irradiation surface F Let z. Let O be the position on the irradiation surface F where the electromagnetic waves are to be collected, and let O'be the position of the radiation surface R corresponding to the position O. At this time, consider the phase of the electromagnetic wave radiated from the electromagnetic wave radiating unit 34, which is x away from the position O'.
  • the distance between the position O to be focused and the position O' is z, and the distance between the position O and the electromagnetic wave radiation position x of the electromagnetic wave radiation unit 34 is (x 2 + z 2 ) 1/2 .
  • the phase difference of the electromagnetic wave radiated from the position O'with respect to the phase at the position O) is ⁇ (x), and the following equation (1) holds.
  • the phase ⁇ (x) can be grasped as a deviation in the traveling direction between the electromagnetic wave from the position O'to the position O and the electromagnetic wave from the position x to the position O, and the electromagnetic wave radiation position of the electromagnetic wave radiation unit 34 is from the position O'.
  • the farther away that is, the larger the absolute value of x is), the larger the value becomes. Therefore, by advancing or delaying the phase ⁇ of the electromagnetic wave radiated from the electromagnetic wave radiating unit 34 according to the value of the phase ⁇ (x), the electromagnetic waves radiated from the plurality of electromagnetic wave radiating units 34 can be moved at the position O. You can try to strengthen each other.
  • FIG. 17 shows a state in which a plurality of electromagnetic wave emitting parts are arranged side by side, unlike the actual positions.
  • the x-direction positions of the electromagnetic wave radiation positions of the electromagnetic wave radiation units 34a to 34g are xa to xg, and the distances between these positions and the position O to be focused are different.
  • the phase shift occurs, electromagnetic wave interference does not occur, and the electromagnetic wave intensity cannot be increased. Therefore, the phase ⁇ of the electromagnetic wave radiated from each electromagnetic wave radiating unit 34 is shifted by the phase (phase difference) ⁇ (x) corresponding to the x-direction position of the electromagnetic wave radiating unit 34a to 34g, and is radiated from each electromagnetic wave radiating unit.
  • the phase of the electromagnetic wave at the position O is adjusted.
  • FIG. 17 shows that the electromagnetic waves radiated from the electromagnetic wave radiating portions 34a, 34b, and 34c have a phase at the position O, and the conditions are such that the electromagnetic waves are strengthened by interference.
  • phase control for strengthening the electromagnetic waves at the condensing position O in all of the electromagnetic wave radiating portions 34a to 34g it is not necessary to perform phase control for strengthening the electromagnetic waves at the condensing position O in all of the electromagnetic wave radiating portions 34a to 34g as long as the desired electric field strength is obtained by the interference of the electromagnetic waves at the position O. It may be performed for two or more appropriate number of electromagnetic wave emitting parts. Further, in the above description, the position of condensing light in the dielectric window 13 is one, but the present invention is not limited to this, and the dielectric window 13 is controlled to strengthen the phase of two or more positions at the same timing. May be good.
  • the distance from the center of the electromagnetic wave radiating unit 34 to the center of the adjacent electromagnetic wave radiating unit 34 is preferably smaller than ⁇ / 2 when the wavelength of the electromagnetic wave is ⁇ . This is because if the distance (interval) between the adjacent electromagnetic wave emitting portions 34 is larger than ⁇ / 2, it becomes difficult to control the phase of the electromagnetic waves to be strengthened at the position O where the dielectric window 13 is to be focused.
  • the movement of the focusing portion can be performed at a very high speed only by the phase control without any mechanical operation. In principle, it can be moved at a speed similar to the frequency of electromagnetic waves.
  • FIG. 18 is a diagram showing an example of focusing electromagnetic waves by phase control and scanning the focused portion.
  • the control unit 4 controls the phase detector 32 (none of which is shown in FIG. 18) to strengthen the phases of the electromagnetic waves radiated from the seven electromagnetic wave emitting units 34 at the position O.
  • the condensing portion C is formed in the region centered on the position O, and the electric field of the electromagnetic wave is controlled to be strong in the condensing portion C.
  • FIG. 18 schematically shows this.
  • the electromagnetic waves radiated from the seven electromagnetic wave emitting units 34 are scanned so that the condensing portion C is scanned in the radial direction L1 and the circumferential direction L2 on the surface of the dielectric window 13 by the phase control by the phase device 32. Control the phase at high speed.
  • control unit 4 controls the phase device 32 to freely control the average electric field distribution per unit time by changing the moving speed of the condensing portion C by the phase control of the electromagnetic wave radiated from the electromagnetic wave radiating unit 34.
  • the phase of the electromagnetic wave is controlled so that the light collecting portion C moves at a relatively low speed on the outer peripheral side of the dielectric window 13 and moves at a relatively high speed on the inner peripheral side.
  • the electric field strength on the outer peripheral side of the dielectric window 13 can be made stronger than the electric field strength on the inner peripheral side, and the plasma density on the outer peripheral side under the dielectric window 13 is controlled to be higher than the plasma density on the inner peripheral side. can do.
  • a plurality of recesses 16 are provided on the processing space 15 side of the dielectric window 13.
  • the plasma density is higher than the cutoff density nc and the plasma tends to spread in the in-plane direction
  • the spread in the plane direction is suppressed in the recess 16 corresponding to the condensing portion C of the electromagnetic wave.
  • a localized plasma can be generated.
  • the plasma generated in the recess 16 can also move to another recess 16 at high speed, and uniform plasma processing can be performed.
  • the plasma processing apparatus of the present embodiment is suitable for the ALD process in which at least the first gas and the second gas are sequentially supplied to the substrate to form a film. That is, the plasma processing apparatus of the present embodiment can obtain good film forming characteristics, which are required in the ALD process, to reduce the gap for shortening the purging process and to reduce damage to the substrate by microwave plasma. It is possible to make both the process and the process compatible.
  • the uniformity of the gas flow is required. Therefore, as shown in FIG. 19, the gas is supplied from the vicinity of the center of the dielectric window 13 via the gas introduction unit 61. It is preferable to introduce.
  • the configuration of the antenna module is not limited to that of the above embodiment.
  • the phase detector may be provided on the antenna side of the amplifier unit, or the phase detector may be provided integrally with the amplifier unit.
  • the configuration of the electromagnetic wave output unit is not limited to the above embodiment. Further, the shape, size, number and the like of the recesses can be appropriately determined according to the treatment.

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Abstract

プラズマ処理装置は、基板にプラズマ処理を施す処理空間および電磁波を合成する合成空間を有するチャンバと、処理空間と合成空間とを仕切る誘電体窓と、合成空間に電磁波を放射する複数のアンテナを有し、フェーズドアレイアンテナとして機能するアンテナユニットと、アンテナユニットに電磁波を出力する電磁波出力部と、アンテナユニットをフェーズドアレイアンテナとして機能させる制御部とを有し、誘電体窓は、処理空間側の面に複数の凹部を有する。

Description

プラズマ処理装置、プラズマ処理方法、および誘電体窓
　本開示は、プラズマ処理装置、プラズマ処理方法、および誘電体窓に関する。
　電磁波のパワーによりガスをプラズマ化し、チャンバ内で半導体ウエハ等の基板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には、このようなプラズマ処理装置において、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が記載されている。具体的には、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が記載されている。
特開２０１７－１０３４５４号公報
　本開示は、高電子密度領域でも局在化されたプラズマを生成することができるプラズマ処理装置およびプラズマ処理方法、ならびに誘電体窓を提供する。
　本開示の一態様に係るプラズマ処理装置は、基板にプラズマ処理を施す処理空間および電磁波を合成する合成空間を有するチャンバと、前記処理空間と前記合成空間とを仕切る誘電体窓と、前記合成空間に電磁波を放射する複数のアンテナを有し、フェーズドアレイアンテナとして機能するアンテナユニットと、前記アンテナユニットに電磁波を出力する電磁波出力部と、前記アンテナユニットをフェーズドアレイアンテナとして機能させる制御部と、を有し、前記誘電体窓は、前記処理空間側の面に複数の凹部を有する。
　本開示によれば、高電子密度領域でも局在化されたプラズマを生成することができるプラズマ処理装置およびプラズマ処理方法、ならびに誘電体窓が提供される。
一実施形態に係るプラズマ処理装置を示す断面図である。 電磁波放射部の詳細を示す断面図である。 図１のプラズマ処理装置におけるアンテナモジュールの配置を模式的に示す図である。 図１のプラズマ処理装置における電磁波出力部の構成を示すブロック図である。 誘電体窓の凹部の機能を説明するための図である。 低密度プラズマの場合の電磁波とプラズマの関係を示す図である。 高密度プラズマの場合の電磁波とプラズマの関係を示す図である。 誘電体窓からｚ方向の電子密度の実測データを示す図である。 誘電体窓の凹部とプラズマの関係を模式的に示す図である。 誘電体窓の凹部を示す底面図である。 誘電体窓の凹部の形状の例を示す断面図である。 誘電体窓における凹部の配置例を示す図である。 誘電体窓における凹部の配置例を示す図である。 一実施形態に係るプラズマ処理装置の処理状態を説明するための断面図である。 一実施形態に係るプラズマ処理装置の電磁波の集光原理を説明するための模式図である。 電磁波放射位置ｘから放射された電磁波の位置Ｏにおける位相δ（ｘ）を座標表示した図である。 各アンテナの配置と位置Ｏにおける位相を示す模式図である。 位相制御により誘電体窓の集光部分をスキャンさせる状態を示す模式図である。 ガス導入部の他の例を示す断面図である。
　以下、添付図面を参照して実施形態について具体的に説明する。
　＜プラズマ処理装置＞
　図１は、一実施形態に係るプラズマ処理装置を示す断面図である。
　本実施形態のプラズマ処理装置１００は、電磁波（マイクロ波）によって表面波プラズマを形成し、形成されたプラズマ（主に表面波プラズマ）により基板Ｗに対して成膜処理やエッチング処理等のプラズマ処理を施すものである。基板Ｗとしては典型例として半導体ウエハを挙げることができるが、これに限らず、ＦＰＤ基板やセラミックス基板等の他の基板であってよい。
　プラズマ処理装置１００は、チャンバ１と、アンテナユニット２と、電磁波出力部３と、制御部４とを有する。
　チャンバ１は、略円筒状をなし、上部が開放された容器部１１と、容器部１１の上部開口を閉塞する天板１２とを有する。チャンバ１は、アルミニウム、ステンレス鋼等の金属材料で形成されている。
　チャンバ１内の空間は、誘電体窓１３で上下に仕切られており、誘電体窓１３の上側の空間が電磁波を合成する合成空間１４、下側の空間が基板Ｗに対してプラズマ処理を行う処理空間１５となっている。
　合成空間１４は大気空間であり、アンテナユニット２の後述する複数のアンテナから合成空間１４に電磁波が放射され、放射された電磁波が合成される。
　誘電体窓１３は、誘電体からなり、処理空間１５側の面には複数の凹部１６が形成されている。なお、誘電体窓１３については後で詳細に説明する。
　処理空間１５内には、基板Ｗを水平状態で載置する円板状をなすステージ２１が設けられるとともに、基板Ｗを処理するための表面波プラズマが形成される。処理空間１５は、プラズマ処理中には真空状態にされる。
　ステージ２１は、絶縁部材２２を介して立設された筒状の支持部材２３により支持されている。ステージ２１を構成する材料としては、表面が陽極酸化処理されたアルミニウム等の金属やセラミックス等の誘電体が例示される。ステージ２１には、基板Ｗを静電吸着するための静電チャック、温度制御機構、基板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、プラズマ処理によっては、ステージ２１に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２１に高周波電力が供給されることにより、基板Ｗ側にプラズマ中のイオンが引き込まれる。
　チャンバ１の底部には排気管２４が接続されており、排気管２４には圧力制御バルブや真空ポンプを含む排気装置２５が接続されている。排気装置２５を作動させるとチャンバ１の処理空間１５内が排気され、所定の真空度まで減圧される。チャンバ１の側壁には、基板Ｗの搬入および搬出を行うための搬入出口２６と、搬入出口２６を開閉するゲートバルブ２７とが設けられている。
　チャンバ１側壁の誘電体窓１３の下方位置には、ガス導入部として、内部にリング状のガス流路が形成され、当該ガス流路からその内側に開口する複数のガス吐出孔を有するシャワーリング２８が設けられており、シャワーリング２８にはガス供給機構２９が接続されている。ガス供給機構２９からは、プラズマ生成ガスとして用いられるＡｒガスのような希ガス、およびプラズマ処理のための処理ガスが供給される。
　アンテナユニット２は、電磁波出力部３から出力された電磁波をチャンバ１の上方からチャンバ１内の合成空間１４に放射するものであり、複数のアンテナモジュール３１を有している。アンテナモジュール３１は、位相器３２と、アンプ部３３と、電磁波放射部３４とを有する。電磁波放射部３４は、アンプ部３３で増幅した電磁波を伝送する伝送路３５と、伝送路３５から延び、合成空間１４に電磁波を放射するアンテナ３６を有する。アンテナモジュール３１の位相器３２とアンプ部３３は、チャンバ１の上方に設けられている。図１では、アンテナ３６としてヘリカルアンテナを用いた例を示している。ヘリカルアンテナは一例に過ぎずこれに限るものではないが、ヘリカルアンテナは、軸方向への指向性が高く、アンテナ間の相互結合が少ないため好ましい。
　位相器３２は、電磁波の位相を変化させるものであり、アンテナ３６から放射される電磁波の位相を進めたり遅らせたりして位相を調整できるように構成されている。位相器３２により電磁波の位相を調整することにより、複数のアンテナ３６から放射される電磁波の干渉を利用して誘電体窓１３の所望の位置に電磁波を集中させることが可能である。
　アンプ部３３は、可変ゲインアンプ、ソリッドステートアンプを構成するメインアンプ、およびアイソレータを有している。可変ゲインアンプは、メインアンプへ入力する電磁波の電力レベルを調整し、個々のアンテナモジュール３１のばらつきを調整または電磁波強度調整のためのアンプである。メインアンプは、例えば、入力整合回路と、半導体増幅素子と、出力整合回路と、高Ｑ共振回路とを有する構成とすることができる。アイソレータは、アンテナ３６で反射してメインアンプに向かう反射電磁波を分離するものである。
　電磁波放射部３４の伝送路３５は天板１２にはめ込まれており、伝送路３５の下端が天板の内壁と同じ高さとなっている。アンテナ３６は伝送路３５の下端から、その軸が鉛直方向になるように合成空間１４内へ延びている。すなわち、アンテナ３６は、合成空間１４の上壁の内面から合成空間１４内に延びている。アンテナ３６としては、銅や真鍮、または銀めっきされたアルミニウム等を用いることができる。
　図２に示すように、伝送路３５は、中心に配置された内側導体４１と、その周囲に配置された外側導体４２と、これらの間に設けられたテフロン（登録商標）等の誘電体部材４３とを有し、同軸ケーブル状をなしている。符号４４はスリーブである。アンテナ３６は、内側導体４１に接続されている。
　複数のアンテナモジュール３１（電磁波放射部３４）は天板１２に対して均等に設けられる。アンテナモジュール３１の数は、適切なプラズマが形成されるような適宜の数に設定される。本例では、図３に示すように、アンテナモジュール３１（電磁波放射部３４）は７つ設けられている（図１では３つのみ図示）。
　各アンテナモジュール３１の位相器３２によりアンテナ３６から放射される電磁波の位相を調整することにより、電磁波の干渉を生じさせ、誘電体窓１３の任意の部分に電磁波を集中させることが可能となっている。すなわち、アンテナユニット２はフェーズドアレイアンテナとして機能する。
　電磁波出力部３は、図４に示すように、電源５１と、発振器５２と、発振された電磁波を増幅するアンプ５３と、増幅された電磁波を各アンテナモジュール３１に分配する分配器５４とを有しており、各アンテナモジュール３１に電磁波を出力する。
　発振器５２は電磁波を例えばＰＬＬ発振させる。電磁波としては、例えば８６０ＭＨｚの周波数のものを用いる。電磁波の周波数としては、８６０ＭＨｚの他に、３００ＭＨｚから３ＧＨｚの範囲のマイクロ波帯の周波数を好適に用いることができる。分配器５４は、アンプ５３で増幅された電磁波を分配する。
　制御部４は、ＣＰＵを有しており、プラズマ処理装置１００における各構成部を制御する。制御部４は、プラズマ処理装置１００の制御パラメータおよび処理レシピを記憶した記憶部や、入力手段、ディスプレイ等を備えている。制御部４は、電磁波出力部３のパワーやガス供給機構２９からのガスの供給等を制御する。また、制御部４は、各アンテナモジュール３１の位相器３２に制御信号を出力し、各アンテナモジュール３１の電磁波放射部３４（アンテナ３６）から放射される電磁波の位相を制御し、電磁波に干渉を生じさせて誘電体窓１３の所望部分に電磁波を集光するように制御する。つまり、制御部４はアンテナユニット２をフェーズドアレイアンテナとして機能させるように制御する。なお、以下の説明では、移相制御により所望部分に電磁波を集中させることを集光と表現する。
　制御部４による位相器３２の制御は、例えば、予め、記憶部に各アンテナモジュールの位相と電磁波の集光位置の関係を示すテーブルを複数記憶させておき、高速でテーブルを切り替えることにより行うことができる。
　なお、アンテナユニット２、電磁波出力部３、および制御部４は、プラズマ処理のためのプラズマを生成するプラズマ源を構成する。
　＜誘電体窓＞
　次に、誘電体窓１３について説明する。
　誘電体窓１３は、合成空間１４で合成された電磁波を透過する機能を有する。誘電体窓１３を構成する誘電体としては、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を挙げることができる。
　図５に示すように、誘電体窓１３の処理空間１５側の面に形成される複数の凹部１６内には、誘電体窓１３を透過した電磁波によりプラズマＰが生成される。すなわち、凹部１６はプラズマＰを閉じ込める機能を有する。より詳細には、合成空間１４で合成され誘電体窓１３の所望位置に集光された電磁波は、誘電体窓１３を透過して処理空間１５に達し、凹部１６内にプラズマＰを生成する。このとき、凹部１６はその生成されたプラズマＰを閉じ込め、面内方向に広がることを阻止する。
　通常の平板の誘電体窓を用いた場合、生成されるプラズマが低プラズマ密度（低電子密度）では、図６に示すように、誘電体窓１３´を透過した電磁波Ｅはある程度処理空間１５のプラズマＰ内に浸透し、面内方向への広がりはあまり大きくない。しかし、プラズマ密度が上昇し、周波数に依存する以下の式で表されるカットオフ密度ｎｃを超える高プラズマ密度（高電子密度）になると、図７に示すように、プラズマＰ中に浸透する電磁波Ｅが減衰し、電磁波の面方向の広がりが大きくなる。このように、プラズマの面方向への広がりが大きくなると、フェーズドアレイアンテナの目的である局在化されたプラズマを生成することが難しくなる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
 　例えば、電磁波の周波数が８６０ＭＨｚの場合、ｎｃは９．１７４３×１０９［ｃｍ－３］となる。
　そのため、本実施形態では、誘電体窓１３の処理空間１５側の面に複数の凹部１６を設けて、凹部１６内にプラズマが生成されるようにし、プラズマを閉じ込めてプラズマの面方向への広がりを抑制する。この凹部１６の効果は、低密度プラズマでも発揮されるが、特に、プラズマ密度がカットオフ密度ｎｃを超える高プラズマ密度のプラズマを生成する場合に有効である。
　凹部１６の深さは、プラズマを閉じ込めることが可能な深さにすることが好ましい。Ａｒガスのプラズマで、６７Ｐａでの電子密度の実測データは、図８に示すようになり、電子密度は誘電体窓から１８ｍｍの位置で最大値をとる。このため、図９に示すように、凹部１６の深さが１８ｍｍ以上でプラズマが凹部に閉じ込められる。したがって、凹部の深さは１８ｍｍ以上であることが好ましい。
　凹部１６の大きさは特に限定されるものではなく、要求されるプラズマの大きさに応じて適宜設定することができる。また、凹部１６の形状についても特に限定されるものでないが、底面図である図１０に示すように、平面形状が円形のものが好ましい。また、凹部１６の縦断面形状は、図１１（ａ）に示すように、ストレート形状（円筒形状）であってよい。また、図１１（ｂ）のように、処理空間１５側の間口が広いコーン形状であってよい。コーン形状は角が９０°よりも広いため放電が安定する。また同様に放電を安定させる観点から図１１（ｃ）のように角部が丸みを有する形状、または図１１（ｄ）に示すような面取りされた形状であってもよい。
　また、凹部１６の数やピッチについても特に限定されるものではなく、目的とする局所プラズマを生成しつつ、基板Ｗの全面に均一なプラズマが生成されるように適宜設定することができる。例えば、凹部１６の中心間距離であるピッチは５６ｍｍ以下が好ましく、凹部１６の数は、基板Ｗが３００ｍｍウエハの場合、３７個以上とすることが好ましい。凹部１６は、基板Ｗの配置領域において、均一に設けられていることが好ましい。特に、基板Ｗの配置領域を、プラズマを生成する領域に応じて複数に区画した場合に、各区画の凹部１６の数が同数であることが好ましい。また、誘電体窓１３の凹部１６が形成されている領域は、基板Ｗの配置領域よりも広いことが好ましい。
　誘電体窓１３における凹部１６の配置例を図１２および図１３に示す。これらはいずれも基板Ｗが３００ｍｍウエハに対応する場合を示す。図１２は、凹部１６の個数が３７個、凹部のピッチが５６ｍｍ、凹部１６がコーン形状で間口の直径が３６ｍｍの例を示す。図１３は、凹部１６の個数が８７個、凹部のピッチが４０ｍｍ、凹部１６がコーン形状で間口の直径が２４ｍｍの例を示す。図１２の例では、例えば一つの区画を一辺が５６ｍｍの六角形とした場合、全ての区画において凹部１６の数が７個となり、均一にすることができる。また、図１３の例では、例えば一つの区画を一辺が４０ｍｍの六角形とした場合、全ての区画において凹部１６の数が７個となり、凹部の数を均一にすることができる。なお、図１２、１３の破線は、基板Ｗの位置を示している。
　本実施形態においては、電磁波の干渉を利用して、電磁波の集光部分を移動させ、集光部分に対応する凹部１６にプラズマを生成するが、ある時点での集光部分に対応するプラズマは、一つの凹部１６だけではなく、その周囲の凹部１６に生成されてもよい。この場合は、中心となる凹部１６のプラズマ強度が高く、その周囲の凹部１６のプラズマ強度は低くなる。
　＜プラズマ処理方法＞
　次に、以上のように構成されるプラズマ処理装置１００によるプラズマ処理方法について説明する。以下の動作は、制御部４による制御に基づいてなされる。
　最初に、ゲートバルブ２７を開けてチャンバ１に隣接する真空搬送室から搬送装置（いずれも図示せず）により搬入出口２６を介して基板Ｗを真空排気されたチャンバ１の処理空間１５に搬入し、ステージ２１上に載置する。
　ゲートバルブ２７を閉じた後、排気装置２５により処理空間１５を所定の真空圧力に調整し、ガス導入機構２９から処理空間１５内にプラズマ処理のためのガスを導入しつつ、電磁波出力部３から電磁波を出力する。電磁波出力部３から出力された電磁波は、アンテナユニット２の複数のアンテナモジュール３１に供給され、複数のアンテナモジュール３１の電磁波放射部３４からチャンバ１の合成空間１４に放射される。
　このとき、図１４に示すように、制御部４から位相器３２に制御信号を出力することにより、各アンテナモジュール３１の電磁波放射部３４（アンテナ３６）から放射される電磁波Ｅの位相を制御する。すなわち、アンテナユニット２をフェーズドアレイアンテナとして機能させる。これにより、合成空間１４で電磁波の干渉を生じさせて、誘電体窓１３の所望部分に電磁波Ｅの集光部分、つまり電磁波強度が高い部分を形成するとともに、電磁波放射部３４から放射される電磁波Ｅの位相制御により、電磁波の集光部分を高速で移動させることができる。このように、単位時間および単位面積当たりの電磁波分布を制御することにより、単に複数の電磁波放射部３４から電磁波を放射する際の電磁波放射部３４の物理配置に依存した不均一な電磁波分布を解消して、均一な電磁波分布とすることができる。
　誘電体窓１３に集光された電磁波は、誘電体窓１３を透過し、その電界により処理空間１５における集光部分の直下位置に局在化されたプラズマを生成する。そして、電磁波集光部分の高速移動にともなう局在化されたプラズマの高速移動により、全体として均一なプラズマ生成が期待される。
　また、誘電体窓１３の一つの位置に着目すると、高速位相制御によって、電界が集中するタイミングと電界のないタイミングが存在する。これにより、通常のマイクロ波プラズマよりさらに低ダメージの疑似的なパルスプラズマを生成することが期待される。
　ところで、誘電体窓１３を透過した電磁波は、誘電体窓１３の直下で表面波として面内方向に広がり処理空間１５には表面波プラズマが生成される。このとき、プラズマ密度が低ければ、上述した図６に示すように、電磁波Ｅはある程度プラズマＰ内に浸透するため、プラズマの面内の広がりはあまり大きくはない。しかし、プラズマ密度がカットオフ密度ｎｃを超える高プラズマ密度（高電子密度）になると、上述した図７に示すように、プラズマ中に浸透する電磁波が減衰し、電磁波の面方向の広がりが大きくなる。このように、プラズマが面方向に大きく広がると、フェーズドアレイアンテナの目的である局在化されたプラズマを生成することが難しくなり、高速位相制御により処理空間全体に均一なプラズマを生成すること、および、低ダメージの疑似的なパルスプラズマを生成することが困難となる。
　そこで、本実施形態では、図１４に示すように、誘電体窓１３の処理空間１５側の面に複数の凹部１６を設けて、その中にプラズマＰが生成されるようにし、プラズマＰの面方向への広がりを抑制する。これにより、カットオフ密度ｎｃ以上の高プラズマ密度であっても、フェーズドアレイアンテナの目的である局在化されたプラズマを生成することができ、高速位相制御により局在化されたプラズマを高速で移動させて処理空間１５全体に均一なプラズマを生成することができる。また、このように局在化されたプラズマを生成することができるので、カットオフ密度ｎｃ以上の高プラズマ密度であっても、高速位相制御により期待される疑似的なパルスプラズマを実現することができ、所期の低ダメージプロセスを達成するができる。
　次に、アンテナユニット２における電磁波の位相制御について、図１５～１７を参照して具体的に説明する。
　図１５は、一実施形態に係るプラズマ処理装置１００における集光原理を説明するための模式図である。電磁波放射部３４からの電磁波放射位置が存在する天板１２の裏面を放射面Ｒとし、電磁波が照射される誘電体窓１３の表面を照射面Ｆとし、放射面Ｒと照射面Ｆとの距離をｚとする。照射面Ｆにおける電磁波を集光させたい位置をＯとし、位置Ｏに対応する放射面Ｒの位置をＯ´とする。このとき、位置Ｏ´からｘだけ離れた電磁波放射部３４から放射される電磁波の位相を考える。集光させたい位置Ｏと位置Ｏ´の距離はｚであり、位置Ｏと電磁波放射部３４の電磁波放射位置ｘの距離は、（ｘ２＋ｚ２）１／２である。電磁波の波数をｋ（＝２π／λ（ただし、λは電磁波の波長））とし、位置ｘから放射した電磁波の位置Ｏでの位相（すなわち、位置ｘから放射した電磁波の位置Ｏでの位相の、位置Ｏ´から放射した電磁波の位置Ｏでの位相に対する位相差）をδ（ｘ）すると、以下の（１）式が成り立つ。
　ｋ（ｘ２＋ｚ２）１／２－δ（ｘ）＝ｋｚ　・・・（１）
　（１）式を変形すると、位相δ（ｘ）を求める以下の（２）式が得られる。
　δ（ｘ）＝ｋ｛（ｘ２＋ｚ２）１／２－ｚ｝　・・・（２）
　δ（ｘ）をｘの関数として座標上に表すと図１６に示す曲線となる。
　位相δ（ｘ）は、位置Ｏ´から位置Ｏに至る電磁波と位置ｘから位置Ｏに至る電磁波の進行方向のずれとして把握することができ、電磁波放射部３４の電磁波放射位置が位置Ｏ´から離れるほど（すなわちｘの絶対値が大きくなるほど）大きくなる。このため、位相δ（ｘ）の値に応じて、電磁波放射部３４から放射される電磁波の位相θを早めたり遅らせたりすることにより、複数の電磁波放射部３４から放射された電磁波を位置Ｏで強め合うようにすることができる。
　例えば、図１７に示すように、７つの電磁波放射部３４ａ、３４ｂ、３４ｃ、３４ｄ、３４ｅ、３４ｆ、３４ｇとし、電磁波放射部３４ｂの電磁波放射位置が位置Ｏ´に存在し、他の電磁波放射部の電磁波放射位置がＯ´から離れた位置にある場合を考える。なお、図１７では説明の便宜上、実際の位置とは異なり、複数の電磁波放射部を横に並べた状態で示している。
　電磁波放射部３４ａ～３４ｇの電磁波放射位置のｘ方向位置はｘａ～ｘｇであり、これらの位置と集光しようとする位置Ｏとの距離が異なるため、同じ位相で電磁波を放射すると、位置Ｏにおいて位相のずれが生じ、電磁波の干渉が生じず電磁波強度を高めることができない。このため、各電磁波放射部３４から放射される電磁波の位相θを、電磁波放射部３４ａ～３４ｇのｘ方向位置に応じた位相（位相差）δ（ｘ）だけずらし、各電磁波放射部から放射された電磁波の位置Ｏでの位相を合わせるようにする。これにより、位置Ｏで電磁波の干渉が生じて電磁波が強め合い、位置Ｏに電磁波を集光させて、局部的に電界強度を高くすることができる。図１７では、電磁波放射部３４ａ、３４ｂ、３４ｃから放射された電磁波の位置Ｏでの位相があっており、干渉により電磁波が強め合う条件になっていることを示している。
　ただし、集光位置Ｏにおいて電磁波を強め合うようにするための位相制御は、位置Ｏにおいて電磁波の干渉により所望の電界強度が得られれば、電磁波放射部３４ａ～３４ｇの全てにおいて行う必要はなく、２つ以上の適宜の数の電磁波放射部について行えばよい。また、上記説明では、誘電体窓１３における集光する位置は１つであったが、これに限らず、同じタイミングで誘電体窓１３に２つ以上の位置について位相を強め合う制御を行ってもよい。
　なお、電磁波放射部３４の中心から隣り合う電磁波放射部３４の中心までの距離は、電磁波の波長をλとした場合にλ／２よりも小さいことが好ましい。隣り合う電磁波放射部３４の距離（間隔）がλ／２より大きいと、誘電体窓１３の集光しようとする位置Ｏにおいて電磁波の位相を強め合う制御を行い難くなるからである。
　以上に説明した電磁波の集光は、位相制御による電磁波の干渉を利用するものであるため、集光部分の移動も位相制御のみで機械的動作をともなわずに非常に高速で行うことができる。原理上は、電磁波の周波数と同程度の速度で移動させることができる。
　図１８は、位相制御による電磁波の集光および集光部分の走査の一例を示す図である。図１８の例では、制御部４が位相器３２（図１８ではいずれも図示せず）を制御して、７つの電磁波放射部３４からそれぞれ放射される電磁波の位相を、位置Ｏにて強め合うように制御する。これにより、位置Ｏを中心とした領域に集光部分Ｃが形成され、集光部分Ｃにおいて電磁波の電界が強くなるように制御される。図１８はこのことを模式的に示している。そして、位相器３２による位相制御により、誘電体窓１３の表面において、集光部分Ｃが径方向Ｌ１また周方向Ｌ２等に走査されるように、７つの電磁波放射部３４から放射される電磁波の位相を高速に制御する。
　また、制御部４が位相器３２を制御して、電磁波放射部３４から放射される電磁波の位相制御による集光部分Ｃ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、集光部分Ｃが、誘電体窓１３の外周側で相対的に低速で移動し、内周側で相対的に高速で移動するように電磁波の位相を制御する。これにより、誘電体窓１３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、誘電体窓１３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ことができる。
　本実施形態では、このような電磁波の高速位相制御による集光部分Ｃの高い制御性が得られることに加え、誘電体窓１３の処理空間１５側に複数の凹部１６を設ける。これにより、プラズマ密度がカットオフ密度ｎｃよりも高くなってプラズマが面内方向に広がりやすい場合でも、電磁波の集光部分Ｃに対応して凹部１６内に、面方向への広がりが抑制され局在化されたプラズマを生成することができる。そして、電磁波の集光部分Ｃの高速移動にともなって、凹部１６内に生成されたプラズマも、別の凹部１６へ高速で移動することができ、均一なプラズマ処理を行うことができる。
　また、このように局在的なプラズマを生成できることから、高プラズマ密度でも高速位相制御により期待される疑似的なパルスプラズマを実現することができ、通常のマイクロ波プラズマよりさらに低ダメージプロセスを達成することができる。
　ところで、通常のマイクロ波プラズマでは、誘電体窓の直下に節と腹が短距離で多数有する定在波が形成されるため、プラズマの均一性を得るために電磁波を拡散（プラズマを拡散）させる必要があり、誘電体窓と基板との間のギャップを大きくする必要がある。これに対し、本実施形態では、プラズマの均一性が高く、しかも極めて低ダメージのプロセスが可能であるため、誘電体窓１３と基板との間を狭くしてもプラズマ均一性および低ダメージ性を維持することができる。
　このため、本実施形態のプラズマ処理装置は、基板に対して少なくとも第１のガスおよび第２のガスをシーケンシャルに供給して成膜を行うＡＬＤプロセスに好適である。すなわち、本実施形態のプラズマ処理装置により、ＡＬＤプロセスで求められる、パージを短時間にするための低ギャップ化と、マイクロ波プラズマによる基板へのダメージが低く良好な成膜特性が得られる成膜プロセスと、を両立させることができる。
　なお、ＡＬＤプロセスに適用する場合は、ガスの流れの均一性が要求されるため、図１９に示すように、誘電体窓１３の中央付近にからガスを供給するガス導入部６１を介してガスを導入することが好ましい。
　＜他の適用＞
　以上、実施形態について説明したが、今回開示された実施形態は、全ての点で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、添付の特許請求の範囲およびその主旨を逸脱することなく、様々な形態で省略、置換、変更されてもよい。
　例えば、アンテナモジュールの構成は上記実施形態のものに限らない。例えば、位相器をアンプ部よりもアンテナ側に設けてもよいし、位相器をアンプ部と一体に設けてもよい。また、電磁波出力部の構成も上記実施形態に限るものではない。さらに、凹部の形状、大きさ、数等も、処理に応じて適宜決定することができる。
　１；チャンバ、２；アンテナユニット、３；電磁波出力部、４；制御部、１３；誘電体窓、１４；合成空間、１５；処理空間、１６；凹部、２１；ステージ、３１；アンテナモジュール、３２；位相器、３４；電磁波放射部、３６；アンテナ、１００；プラズマ処理装置、Ｗ；基板

Claims (20)

  1. 　基板にプラズマ処理を施す処理空間および電磁波を合成する合成空間を有するチャンバと、
    　前記処理空間と前記合成空間とを仕切る誘電体窓と、
    　前記合成空間に電磁波を放射する複数のアンテナを有し、フェーズドアレイアンテナとして機能するアンテナユニットと、
    　前記アンテナユニットに電磁波を出力する電磁波出力部と、
    　前記アンテナユニットをフェーズドアレイアンテナとして機能させる制御部と、
    を有し、
    　前記誘電体窓は、前記処理空間側の面に複数の凹部を有する、プラズマ処理装置。
  2. 　前記凹部内にプラズマが生成される、請求項１に記載のプラズマ処理装置。
  3. 　前記凹部の深さは１８ｍｍ以上である、請求項１または請求項２に記載のプラズマ処理装置。
  4. 　前記凹部は、前記処理空間側の間口が広いコーン形状を有する、請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。
  5. 　前記凹部は、角部が丸みを有する形状、または面取りされた形状である、請求項１から請求項４のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。
  6. 　前記凹部の間のピッチは５６ｍｍ以下である、請求項１から請求項５のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。
  7. 　前記凹部の数は、前記基板が直径３００ｍｍのウエハである場合に、３７個以上である、請求項１から請求項６のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。
  8. 　前記誘電体窓の前記凹部が形成された領域は、前記基板に対応する領域よりも大きい、請求項１から請求項７のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。
  9. 　前記制御部は、複数の前記アンテナから放射される複数の電磁波のそれぞれの位相を、複数の前記電磁波が前記合成空間で合成された際に干渉により前記誘電体窓の表面の任意の位置に集光された集光部分が形成されるように、かつ前記集光部分が移動されるように制御する、請求項１から請求項８のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。
  10. 　前記制御部は、前記位相の制御により前記集光部分の移動速度を変化させて、単位時間当たりの平均電界分布を制御する、請求項９に記載のプラズマ処理装置。
  11. 　前記処理空間に生成されるプラズマの密度は、その値を超えるとプラズマ中に浸透する電磁波が減衰するカットオフ密度より高い、請求項１から請求項１０のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。
  12. 　前記処理空間に少なくとも第１のガスおよび第２のガスを供給するガス供給部をさらに有し、基板に対して少なくとも前記第１のガスおよび前記第２のガスをシーケンシャルに供給してＡＬＤにより成膜を行う、請求項１から請求項１１のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。
  13. 　プラズマ処理装置により基板にプラズマ処理を施すプラズマ処理方法であって、
    　前記プラズマ処理装置は、基板にプラズマ処理を施す処理空間および電磁波を合成する合成空間を有するチャンバと、前記処理空間と前記合成空間とを仕切る誘電体窓と、前記合成空間に電磁波を放射する複数のアンテナを有するアンテナユニットと、前記アンテナユニットに電磁波を出力する電磁波出力部と、を有し、前記誘電体窓は、前記処理空間側の面に複数の凹部を有し、
    　前記プラズマ処理方法は、
    　基板を処理空間に配置することと、
    　複数の前記アンテナから放射される複数の電磁波のそれぞれの位相を、前記アンテナユニットがフェーズドアレイアンテナとして機能するように制御することと、
    　前記複数の電磁波の位相を制御して、前記複数の電磁波を前記誘電体窓の表面の任意の位置に集光させ集光部分を形成するとともに、前記集光部分を移動させることと、
    　前記集光部分から前記誘電体窓を透過した電磁波により、前記誘電体窓の前記凹部内にプラズマを生成させ、当該プラズマにより前記基板を処理することと、
    を有する、プラズマ処理方法。
  14. 　前記位相の制御により前記集光部分の移動速度を変化させて、単位時間当たりの平均電界分布を制御する、請求項１３に記載のプラズマ処理方法。
  15. 　電磁波を合成する合成空間に、フェーズドアレイアンテナとして機能するアンテナユニットの複数のアンテナから放射された電磁波を、基板が配置された処理空間に透過する誘電体窓であって、
    　前記処理空間側の面に複数の凹部を有する、誘電体窓。
  16. 　前記凹部内にプラズマが生成される、請求項１５に記載の誘電体窓。
  17. 　前記凹部の深さは１８ｍｍ以上である、請求項１５または請求項１６に記載の誘電体窓。
  18. 　前記凹部の間のピッチは５６ｍｍ以下である、請求項１５から請求項１７のいずれか一項に記載の誘電体窓。
  19. 　前記凹部の数は、前記基板が直径３００ｍｍのウエハである場合に、３７個以上である、請求項１５から請求項１８のいずれか一項に記載の誘電体窓。
  20. 　前記凹部が形成された領域は、前記基板に対応する領域よりも大きい、請求項１５から請求項１９のいずれか一項に記載の誘電体窓。
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