WO2023176542A1 - プラズマ処理装置およびプラズマ処理方法 - Google Patents

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WO2023176542A1
WO2023176542A1 PCT/JP2023/008285 JP2023008285W WO2023176542A1 WO 2023176542 A1 WO2023176542 A1 WO 2023176542A1 JP 2023008285 W JP2023008285 W JP 2023008285W WO 2023176542 A1 WO2023176542 A1 WO 2023176542A1
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plasma
electrode
gas
space
processing
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PCT/JP2023/008285
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Inventor
昌樹 平山
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東京エレクトロン株式会社
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C16/00—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes
    • C23C16/44—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the method of coating
    • C23C16/50—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the method of coating using electric discharges
    • C23C16/505—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the method of coating using electric discharges using radio frequency discharges
    • C23C16/509—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the method of coating using electric discharges using radio frequency discharges using internal electrodes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/04—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having at least one potential-jump barrier or surface barrier, e.g. PN junction, depletion layer or carrier concentration layer
    • H01L21/18—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having at least one potential-jump barrier or surface barrier, e.g. PN junction, depletion layer or carrier concentration layer the devices having semiconductor bodies comprising elements of Group IV of the Periodic System or AIIIBV compounds with or without impurities, e.g. doping materials
    • H01L21/20—Deposition of semiconductor materials on a substrate, e.g. epitaxial growth solid phase epitaxy
    • H01L21/2003—Deposition of semiconductor materials on a substrate, e.g. epitaxial growth solid phase epitaxy characterised by the substrate
    • H01L21/2015—Deposition of semiconductor materials on a substrate, e.g. epitaxial growth solid phase epitaxy characterised by the substrate the substrate being of crystalline semiconductor material, e.g. lattice adaptation, heteroepitaxy
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
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    • H01L21/30—Treatment of semiconductor bodies using processes or apparatus not provided for in groups H01L21/20 - H01L21/26
    • H01L21/302—Treatment of semiconductor bodies using processes or apparatus not provided for in groups H01L21/20 - H01L21/26 to change their surface-physical characteristics or shape, e.g. etching, polishing, cutting
    • H01L21/306—Chemical or electrical treatment, e.g. electrolytic etching
    • H01L21/3065—Plasma etching; Reactive-ion etching
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
    • H05H1/00—Generating plasma; Handling plasma
    • H05H1/24—Generating plasma
    • H05H1/46—Generating plasma using applied electromagnetic fields, e.g. high frequency or microwave energy

Definitions

  • the present disclosure relates to a plasma processing apparatus and a plasma processing method.
  • Patent Document 1 discloses that a processing container is divided into a reaction chamber in which an object to be processed is placed and a plasma generation chamber, high-frequency power is applied to an upper electrode to generate plasma in the plasma generation chamber, and active species in the plasma are removed.
  • a remote type plasma processing apparatus has been disclosed that conducts plasma processing by guiding the plasma into a reaction chamber.
  • the present disclosure provides a plasma processing apparatus and a plasma processing method that can perform uniform plasma processing when a plasma generation unit supplies high-frequency power to an electrode to generate plasma, and guides the plasma to a substrate for plasma processing. provide.
  • a plasma processing apparatus includes a processing container having a processing space in which a substrate is disposed, and a first electrode and a second electrode that are provided facing each other and configured as parallel plate electrodes, a plasma generation section in which a plasma generation space is formed between the first electrode and the second electrode; a high frequency power supply means for forming a high frequency electric field between the first electrode and the second electrode; a gas supply unit that supplies a processing gas for generating plasma into a plasma generation space; a plasma introduction unit that introduces plasma generated in the plasma generation space into the processing space; the first electrode and the second electrode. and a heat transfer member made of an insulator provided to thermally connect them, and the substrate is subjected to plasma processing by plasma introduced into the processing space.
  • a plasma processing apparatus and plasma processing are capable of performing uniform plasma processing when a plasma generation unit supplies high-frequency power to an electrode to generate plasma, and guides the plasma to a substrate for plasma processing.
  • a method is provided.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing a plasma processing apparatus according to a first embodiment.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view showing in detail a main part of the plasma processing apparatus shown in FIG. 1.
  • FIG. FIG. 2 is a cross-sectional view showing main parts of a plasma processing apparatus according to a second embodiment.
  • FIG. 7 is a sectional view showing main parts of a plasma processing apparatus according to a third embodiment.
  • FIG. 7 is a sectional view showing main parts of a plasma processing apparatus according to a fourth embodiment.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing a plasma processing apparatus according to a first embodiment
  • FIG. 2 is a cross-sectional view showing the main parts in detail.
  • the plasma processing apparatus 100 of this embodiment performs plasma processing on a substrate W.
  • the plasma treatment is not particularly limited, examples include film forming treatments such as CVD and ALD.
  • the plasma processing apparatus 100 has a processing container 10 that has a substantially cylindrical shape and is made of metal, for example, a metal such as aluminum whose surface has been anodized.
  • the inside of the processing container 10 is divided into a lower space 11 and an upper space 12, and the lower space 11 functions as a processing space. Further, the plasma processing apparatus 100 includes a plasma generation section 30.
  • a stage 20 on which a substrate W is placed is provided in the lower space 11.
  • the stage 20 is supported by a support member 21.
  • the support member 21 extends downward through the bottom wall of the processing container 10, and can be raised and lowered by a lifting mechanism (not shown).
  • a sealing mechanism (not shown) is provided between the support member 21 and the bottom wall of the processing container 10.
  • the stage 20 and the support member 21 are made of, for example, metal, such as aluminum whose surface has been anodized.
  • the stage 20 is provided with elevating pins (not shown) that move up and down so as to project into and out of the surface of the stage 20 in order to transport the substrate W.
  • the stage 20 may be provided with an electrostatic chuck for electrostatically adsorbing the substrate W, and a temperature control mechanism such as a heater.
  • An exhaust port 22 is formed at the bottom of the processing container 10, and an exhaust pipe 23 is connected to the exhaust port 22.
  • An exhaust device 24 including a vacuum pump, a pressure control valve, etc. is connected to the exhaust pipe 23.
  • the lower space 11 which is a processing space, is evacuated, and the lower space 11 is maintained at a predetermined degree of vacuum.
  • a loading/unloading port 25 for loading/unloading the substrate W is formed in the side wall of the processing container 10, and this loading/unloading port 25 can be opened/closed by a gate valve 26.
  • the plasma generation unit 30 is provided in the upper space 12 and includes a lower shower plate 41 as a lower electrode, an upper shower plate 42 as an upper electrode, and a sealing plate 43 provided on the upper shower plate 42. It is configured as a shower head.
  • a lower shower plate 41 as a lower electrode and an upper shower plate 42 as an upper electrode constitute parallel plate electrodes, and the space between them becomes a plasma generation space 45.
  • the lower shower plate 41 and the upper shower plate 42 are made of metal such as aluminum alloy, titanium, stainless steel, etc., have a disc shape, and are laminated at intervals through an insulating ring 44 provided on the outer periphery. There is.
  • the insulating ring 44 is made of an insulator such as alumina, quartz, yttria, or Teflon (registered trademark), and a seal ring is provided between the insulating ring 44 and the lower shower plate 41 and between the upper shower plate 42. It is sealed with a sealing member such as an O-ring.
  • a plurality of gas holes 41a are formed in the lower shower plate 41 that penetrate vertically, and a plurality of gas holes 42a are formed in the upper shower plate 42 that penetrate vertically.
  • the interval between the lower shower plate 41 and the upper shower plate 42 that is, the interval between the parallel plate electrodes (electrode interval) may be set according to the frequency so that quasi-TEM waves can be obtained, as will be described later.
  • the lower shower plate 41 has a function of dividing the inside of the processing container 10 into a lower space 11 and an upper space 12, and is attached to the side wall of the processing container 10.
  • a sealing member such as a seal ring (O-ring) is used to seal between the lower surface of the lower shower plate 41 and the side wall of the processing container 10, so that the inside of the lower space 11, which is a processing space, is kept airtight.
  • the sealing plate 43 is made of metal such as aluminum alloy, titanium, stainless steel, etc., and has the function of sealing the upper shower plate 42 and defining an atmospheric atmosphere and a vacuum atmosphere.
  • the outer edge of the sealing plate 43 projects downward, and the space between the outer edge of the sealing plate 43 and the upper shower plate 42 is sealed with a sealing member such as a seal ring (O-ring).
  • the space between the sealing plate 43 and the upper shower plate 42 is a gas diffusion space 46.
  • the plasma processing apparatus 100 further includes a high frequency power source 50 and a gas supply section 60.
  • the high frequency power source 50 forms a high frequency electric field between the lower shower plate 41, which is a lower electrode, and the upper shower plate 42, which is an upper electrode.
  • a power supply line 52 extending from the high frequency power source 50 is connected to the sealing plate 43 via a high frequency introducing section 27 provided on the top wall 10a of the processing container 10.
  • a matching box 51 is interposed in the power supply line 52 .
  • the high frequency from the high frequency power source 50 is applied to the upper shower plate 42, which is the upper electrode, through the sealing plate 43, and is applied to the plasma generation space 45 between the lower shower plate 41 and the upper shower plate 42, which constitute a parallel plate electrode.
  • a high frequency electric field is formed.
  • the frequency of the high frequency power source 50 is not particularly limited as long as plasma can be generated, but a VHF to UHF band (range from several hundred kHz to several hundred MHz) is preferable.
  • the space around the power supply line 52 between the top wall of the processing container 10 and the sealing plate 43 serves as a high frequency propagation section 53 .
  • the gas supply unit 60 supplies processing gas for plasma processing, inert gas for pressure regulation and purging, and the like.
  • plasma processing is a film forming process such as CVD or ALD
  • a film forming source gas and a reaction gas are used as processing gases.
  • a film is formed by a thermal decomposition reaction of a film-forming raw material gas
  • only the film-forming raw material gas may be supplied as the processing gas.
  • a gas supply pipe 61 extends from the gas supply section 60 , and the gas supply pipe 61 is connected to a gas introduction path 62 .
  • the gas introduction path 62 is connected to the gas diffusion space 46 via the ceiling wall 10a of the processing container 10, a spacer 63 provided between the ceiling wall 10a and the sealing plate 43, and the sealing plate 43.
  • the processing gas supplied from the gas supply section 60 reaches the plasma generation space 45 via the gas supply pipe 61, the gas introduction path 62, the gas diffusion space 46, and the gas hole 42a. Then, capacitively coupled plasma is generated in the plasma generation space 45 by the high frequency electric field formed between the upper shower plate 42 and the lower shower plate 41.
  • the plasma generated in the plasma generation space 45 is composed of active species and charged particles, and only the active species or the active species and the charged particles are introduced into the lower space 11, which is a processing space, from the gas hole 41a. That is, the gas hole 41a functions as a plasma introduction part that introduces only the active species in the plasma generation space 45, or the active species and charged particles into the lower space 11, which is the processing space.
  • a lower heat transfer member 71 made of an insulator is provided between the upper shower plate 42 and the lower shower plate 41 to thermally connect them.
  • a plurality of (for example, six) lower heat transfer members 71 are provided.
  • the plurality of lower heat transfer members 71 can be preferably provided at axially symmetrical positions.
  • one lower heat transfer member 71 may be provided at the center.
  • the lower heat transfer member 71 has a function of dissipating heat applied to the lower shower plate 41 from the plasma by heat transfer.
  • the lower heat transfer member 71 needs to be an insulator.
  • an insulator with high thermal conductivity can be used so that heat can be effectively released through heat transfer.
  • Examples of such insulators with high thermal conductivity include aluminum nitride (AlN), alumina (Al 2 O 3 ), silicon carbide (SiC), quartz glass, and yttria (Y 2 O 3 ). can.
  • AlN which has particularly high thermal conductivity, can be preferably used.
  • the insulator constituting the lower heat transfer member 71 may be a resin, and for example, a resin with high thermal conductivity such as polyimide, polyphenylene sulfide, or polyether ether ketone can be used.
  • the thermal conductivity of the lower heat transfer member 71 may be selected depending on the operating temperature. For example, a material having a thermal conductivity of 100 W/K ⁇ m or more at an operating temperature of 20 to 200° C. is preferable. Such high thermal conductivity can be achieved with the above-mentioned AlN.
  • the lower heat transfer member 71 is fitted into a recess 48 formed on the upper surface of the lower shower plate 41 and a recess 49 formed on the lower surface of the upper shower plate 42.
  • the lower heat transfer member 71 is screwed onto the lower shower plate 41 from above the upper shower plate 72 through the lower heat transfer member 71 using screws 74 made of an insulator such as AlN, Al 2 O 3 , SiC, or the like. It will be concluded by meeting the agreement.
  • a metallic upper heat transfer member 72 is provided between the upper shower plate 42 and the sealing plate 43 to thermally connect them.
  • a plurality (for example, six) of upper heat transfer members 72 are provided.
  • the plurality of upper heat transfer members 72 are preferably provided at axially symmetrical positions.
  • one upper heat transfer member 72 may be provided at the center.
  • the upper heat transfer member 72 has a function of guiding the heat transferred to the upper shower plate 42 to the sealing plate 43.
  • the space above the sealing plate 43 is an atmospheric atmosphere, and the heat transferred from the upper heat transfer member 72 to the sealing plate 43 is removed by thermal convection or the like.
  • the upper heat transfer member 72 is made of, for example, the same material as the upper shower plate 42 and is constructed integrally with the upper shower plate 42. As shown in detail in FIG. 2, the upper heat transfer member 72 and the sealing plate 43 are fastened with metal screws 75, and a seal ring (O It may be sealed with a sealing member 76 such as a ring). Note that the upper heat transfer member 72 may be separate from the upper shower plate 42.
  • the plasma processing apparatus 100 further includes a control section 80.
  • the control unit 80 controls the components of the plasma processing apparatus 100, such as the exhaust device 24, the high frequency power source 50, and the valves of the gas supply unit 60.
  • the control unit 80 includes a main control unit including a CPU, an input device, an output device, a display device, and a storage device. Then, the processing of the plasma processing apparatus 100 is controlled based on the processing recipe stored in the storage medium of the storage device.
  • the substrate W is carried into the lower space 11 which is a processing space of the processing container 10 and placed on the stage 20 .
  • an inert gas is supplied from the gas supply section 60 to the lower space 11 via the plasma generation section 30 that constitutes a shower head, and the lower space 11 is evacuated and pressure-regulated by the exhaust device 24 to create a desired vacuum atmosphere. .
  • the processing gas is supplied from the gas supply section 60 to the plasma generation section 30 constituting the shower head, and high frequency power is applied from the high frequency power source 50 to the upper shower plate 42, which is the upper electrode, via the sealing plate 43. .
  • a high-frequency electric field is formed in the plasma generation space 45 between the lower shower plate 41, which is a lower electrode, and the upper shower plate 42, which is an upper electrode.
  • the processing gas reaches the plasma generation space 45 from the gas diffusion space 46 through the gas hole 42a, and capacitively coupled plasma is generated in the plasma generation space 45 by the high frequency electric field.
  • the generated plasma is composed of active species and charged particles, and only the active species or the active species and the charged particles are introduced into the lower space 11, which is a processing space, from the gas hole 41a that functions as a plasma introduction part, and are introduced into the substrate W.
  • the substrate W is supplied and processed.
  • the lower shower plate 41 may warp upward. If the lower shower plate 41, which is the lower electrode, and the upper shower plate 42, which is the upper electrode, are warped in this way, the distance between them (electrode spacing) will not be kept constant, and the generated plasma will be uneven. turn into.
  • the quasi-TEM required to generate a uniform plasma will be reduced, as will be described later.
  • the electrode spacing at which waves can be obtained becomes small, for example, 2 to 3 mm.
  • the rate of variation in the electrode spacing due to warping that occurs in the lower shower plate 41, which is the lower electrode, and the upper shower plate 42, which is the upper electrode becomes relatively large, which has an effect on plasma uniformity. becomes large.
  • the lower and upper electrodes are made thicker and their radial direction is reduced. It is believed that lowering the thermal resistance is effective. It is also considered effective to provide a coolant flow path inside the electrode and remove heat with the coolant. In any case, in order to effectively remove heat, according to conventional technical knowledge, the lower electrode and the upper electrode have to be made thicker.
  • the active species and charged particles in the plasma generated in the plasma generation space are discharged into the processing space through the gas holes in the lower shower plate, which is the lower electrode, so the lower electrode is thick. This increases the length of the gas pores, making it easier for active species and charged particles to deactivate. For this reason, it is difficult to improve productivity even if a large current is applied.
  • a lower heat transfer member 71 made of an insulator is provided between the lower shower plate 41, which is the lower electrode, and the upper shower plate 42, which is the upper electrode, so as to thermally connect them. establish. Thereby, heat can be released via the lower heat transfer member 71 while maintaining insulation between the lower shower plate 41 and the upper shower plate 42.
  • the heat flowing into the lower shower plate 41 is transferred to the upper shower plate 42 via the lower heat transfer member 71.
  • the heat flowing into the upper shower plate 42 is then transferred to the sealing plate 43 via the upper heat transfer member 72. Since the space above the sealing plate 43 is in an atmospheric atmosphere, the heat flowing into the sealing plate 43 is removed by thermal convection or the like.
  • the lower heat transfer member 71 is provided to remove heat in this manner, heat from the lower shower plate 41 and the upper shower plate 42 can be effectively removed even when a large amount of power is applied. Therefore, warping of the lower shower plate 41 and the upper shower plate 42, which are the lower electrode and the upper electrode, can be suppressed. Thereby, the distance (electrode spacing) between the lower shower plate 41 and the upper shower plate 42 can be kept as constant as possible, and non-uniformity of plasma can be suppressed, so that uniform plasma processing can be performed on the substrate W.
  • the lower heat transfer member 71 can effectively dissipate heat. It is possible to suppress variations in the interval and perform uniform plasma processing. Since heat can be effectively removed from the lower shower plate 41 and the upper shower plate 42 in this way, warping can be suppressed even if these are made thin, and deactivation of active species passing through the gas holes 41a can also be suppressed.
  • the warp will occur in the direction that sandwiches the lower heat transfer member 71. act. Therefore, the lower heat transfer member 71, the lower shower plate 41, and the upper shower plate 42 come into close contact with each other, reducing the contact thermal resistance between them, dissipating heat more effectively, and preventing further warping. can do. Further, the lower heat transfer member 71 can maintain a physically constant interval between the lower shower plate 41 and the upper shower plate 42. Therefore, even if a deforming force acts on the lower shower plate 41 and the upper shower plate 42, the lower heat transfer member 71 suppresses the distance between them from changing, and a uniform and stable plasma generation space 45 is created. Easier to generate plasma.
  • the effect of releasing heat through heat transfer can be enhanced.
  • the thermal conductivity of the insulator constituting the lower heat transfer member 71 can be selected according to the operating temperature. Materials with thermal conductivity are preferred.
  • AlN can be suitably used as an insulator having such high thermal conductivity.
  • the number and arrangement of the lower heat transfer members 71 are not particularly limited, and may be set in consideration of plasma uniformity and heat transfer effect, and may be a single member or a plurality of members. When there are a plurality of lower heat transfer members 71, heat can be released uniformly by arranging them at axially symmetrical positions.
  • the distance between the lower shower plate 41 and the upper shower plate 42 that constitute the parallel plate electrodes will be explained. From the viewpoint of generating uniform plasma, it is preferable to propagate the high frequency wave as a quasi-TEM wave. If modes other than quasi-TEM waves appear, the uniformity of the plasma will deteriorate. In order to propagate the high frequency power as a quasi-TEM wave, it is necessary to make the distance (electrode distance) d between the lower shower plate 41 and the upper shower plate 42 constituting the parallel plate electrodes smaller than the plasma skin depth. If the electrode spacing d becomes larger than the plasma skin depth, modes other than quasi-TEM waves will appear. Further, in order to obtain higher plasma uniformity, it is effective to have a long wavelength of the quasi-TEM wave, and from this point of view, it is preferable to make the electrode spacing d sufficiently smaller than the plasma skin depth.
  • the wavelength ⁇ of the quasi-TEM wave is approximately expressed by the following equation (1) (P. Chabert, J.-L. Raimbault, J.-M. Rax, and A. Perret, “Suppression of the standing wave effect in high frequency capacitive discharges using a shaped electrode and dielectric lens: Self-consistent approach,” PHYSICS OF PLASMAS, 11, 8(2004).
  • ⁇ 40 ⁇ 0 V 0 1/10 d -1/2 f -2/5 (1)
  • ⁇ 0 is the wavelength in vacuum (m)
  • V 0 is the amplitude of the high frequency (V)
  • f the frequency (Hz).
  • FIG. 3 is a sectional view showing main parts of a plasma processing apparatus according to a second embodiment.
  • the diameter of the gas hole 41b in the peripheral portion of the lower heat transfer member 71 of the lower shower plate 41 is formed larger than that of other normal gas holes 41a.
  • the other configurations are the same as those in the first embodiment, so their explanation will be omitted.
  • the plasma density is lower in the peripheral portion of the insulator existing in the plasma generation space than in other portions. Therefore, if the diameter of the gas holes is uniform, the amount of active species released from the gas holes around the insulator will be smaller than the amount of active species released from other gas holes, and the lower space which is the processing space In No. 11, the uniformity of the distribution of active species may be insufficient. In this case, uniform plasma processing cannot necessarily be performed on the substrate W.
  • the diameter of the gas hole 41b in the peripheral portion of the lower heat transfer member 71 which is an insulator, is made larger than the diameter of the other gas holes 41a.
  • FIG. 4 is a sectional view showing main parts of a plasma processing apparatus according to a third embodiment.
  • the upper shower plate 42 has a gas flow path 91 inside.
  • a plurality of gas holes 42b are formed in the lower part of the upper shower plate 42, extending from the gas flow path 91 and opening into the plasma generation space 45. Further, by screwing a screw 77 made of an insulator having a hole 78 penetrating in the axial direction into the lower shower plate 41 from above the upper shower plate 42 through the lower heat transfer member 71, the lower heat transfer member 71 is It is concluded.
  • a gas hole 41c is formed in the lower plate 41 and communicates with the hole 78 of the screw 77.
  • the upper heat transfer member 72 is fastened with a metal screw 92 having a hole 93 penetrating in the axial direction.
  • the upper heat transfer member 72 is formed with a gas hole 72 a that opens into the gas flow path 91 .
  • the processing gas to be turned into plasma can be supplied to the plasma generation space 45 through the hole 93, the gas hole 72a, the gas flow path 91, and the gas hole 42b.
  • the processing gas that is not desired to be turned into plasma is supplied to the lower space 11, which is the processing space, through the gas flow path 62, the gas diffusion space 46, the holes 78, and the gas holes 41c without passing through the plasma generation space 45. be able to.
  • the raw material gas can be supplied to the lower space 11 without passing through the plasma generation space 45.
  • FIG. 5 is a sectional view showing main parts of a plasma processing apparatus according to a fourth embodiment. Note that, for convenience, FIG. 5 is based on FIG. 4 of the third embodiment, but this embodiment is the same even if it is based on FIGS. 1 to 3 of the first embodiment or the second embodiment.
  • the lower heat transfer member 71 fits into a recess 48 provided in the lower shower plate 41 and a recess 49 provided in the upper shower plate 42, and the length of the lower heat transfer member 71 is the same as that of the lower shower plate 41. It is longer than the distance from the shower plate 42 (distance between electrodes). Further, a gap g is formed between the side surface of the lower heat transfer member 71 and the side surfaces of the recesses 48 and 49. As described above, since the length of the lower heat transfer member 71 is longer than the distance between the electrodes and the gap g is provided at the fitting part, an increase in parasitic capacitance due to the installation of the lower heat transfer member 71 made of an insulator can be prevented. Therefore, it is easy to avoid deterioration of plasma distribution due to unevenness of high-frequency current in the plasma generation space 45.
  • the gap g between the side surface of the lower heat transfer member 71 and the side surfaces of the recesses 48 and 49 be smaller than the plasma sheath thickness (0.1 to 1 mm). That is, if plasma enters the gap g, the plasma distribution may deteriorate, so the gap g is made smaller than the sheath thickness to suppress the plasma from entering the gap g.
  • the fitting depth of the lower heat transfer member 71 to the lower shower plate 41 and the upper shower plate 42 is h, and the distance between the lower shower plate 41 and the upper shower plate 42 (distance between electrodes) is d.
  • h>0.1d is preferable.
  • the diameter of the lower heat transfer member 71 is p, h ⁇ 3p is preferable. If the depth h of the fitting portion is greater than 3p, the parasitic capacitance will hardly change even if the depth h of the fitting portion is changed, but the thermal resistance of the lower heat transfer member 71 will increase.
  • the lower shower plate is used as the lower electrode
  • the upper shower plate is used as the upper electrode
  • the processing gas is supplied to the plasma generation space in the form of a shower, and the active species in the plasma are guided into the processing space in the form of a shower.
  • the present invention is not limited to the above embodiment as long as it is a remote type plasma processing apparatus that excites plasma between parallel plate electrodes and introduces the plasma into a processing space.
  • a sealing plate is provided above the upper shower plate via a gas diffusion space, and an upper heat transfer member is provided between the upper shower plate and the sealing plate to transfer heat from the upper shower plate to the upper shower plate.
  • the structure is such that heat is transferred to the heat transfer member, the structure is not limited to this.
  • plasma processing has been described using film forming processing such as CVD or ALD as an example, the present invention is not limited to this, and other plasma processing such as plasma etching may be used.

Abstract

プラズマ処理装置は、基板が配置される処理空間を有する処理容器と、互いに対向して設けられ、平行平板電極として構成される第１電極および第２電極を有し、これらの間にプラズマ生成空間が形成されるプラズマ生成部と、第１電極と第２電極との間に高周波電界を形成する高周波電源と、プラズマ生成空間にプラズマを生成するための処理ガスを供給するガス供給部と、プラズマ生成空間に生成されたプラズマを処理空間に導入するプラズマ導入部と、第１電極と第２電極との間に、これらを熱的に接続するように設けられた、絶縁体からなる伝熱部材とを有し、処理空間に導入されたプラズマにより基板にプラズマ処理が施される。

Description

プラズマ処理装置およびプラズマ処理方法
　本開示は、プラズマ処理装置およびプラズマ処理方法に関する。
　半導体デバイスの製造工程においては、基板である半導体ウエハに対しプラズマ処理を行うプラズマ処理装置が用いられている。特許文献１には、処理容器を被処理体が載置される反応室とプラズマ生成室に仕切り、上部電極に高周波電力を印加してプラズマ生成室でプラズマを生成し、プラズマ中の活性種を反応室に導いてプラズマ処理するリモートタイプのプラズマ処理装置が開示されている。
特開２０２０－１５５３８７号公報
　本開示は、プラズマ生成部で電極に高周波電力を供給してプラズマを生成し、プラズマを基板に導いてプラズマ処理する際に、均一なプラズマ処理を行うことができるプラズマ処理装置およびプラズマ処理方法を提供する。
　本開示の一態様に係るプラズマ処理装置は、基板が配置される処理空間を有する処理容器と、互いに対向して設けられ、平行平板電極として構成される第１電極および第２電極を有し、前記第１電極および前記第２電極との間にプラズマ生成空間が形成されるプラズマ生成部と、前記第１電極と前記第２電極との間に高周波電界を形成する高周波電力供給手段と、前記プラズマ生成空間にプラズマを生成するための処理ガスを供給するガス供給部と、前記プラズマ生成空間に生成されたプラズマを前記処理空間に導入するプラズマ導入部と、前記第１電極と前記第２電極との間に、これらを熱的に接続するように設けられた、絶縁体からなる伝熱部材と、を有し、前記処理空間に導入されたプラズマにより前記基板にプラズマ処理が施される。
　本開示によれば、プラズマ生成部で電極に高周波電力を供給してプラズマを生成し、プラズマを基板に導いてプラズマ処理する際に、均一なプラズマ処理を行う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が提供される。
第１の実施形態に係るプラズマ処理装置を概略的に示す断面図である。 図１のプラズマ処理装置の要部を詳細に示す断面図である。 第２の実施形態に係るプラズマ処理装置の要部を示す断面図である。 第３の実施形態に係るプラズマ処理装置の要部を示す断面図である。 第４の実施形態に係るプラズマ処理装置の要部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説明する。
　＜第１の実施形態＞
　最初に第１の実施形態について説明する。
　図１は第１の実施形態に係るプラズマ処理装置を概略的に示す断面図、図２はその要部を詳細に示す断面図である。
　本実施形態のプラズマ処理装置１００は、基板Ｗに対してプラズマ処理を行うものである。プラズマ処理は特に限定されないが、ＣＶＤやＡＬＤ等の成膜処理が例示される。
　プラズマ処理装置１００は、略円筒状をなし、金属、例えば表面が陽極酸化処理されたアルミニウム等の金属で構成された処理容器１０を有している。処理容器１０内は、下部空間１１と上部空間１２に分かれており、下部空間１１が処理空間として機能する。また、プラズマ処理装置１００は、プラズマ生成部３０を有している。
　下部空間１１内には基板Ｗを載置するステージ２０が設けられている。ステージ２０は支持部材２１に支持されている。支持部材２１は処理容器１０の底壁を貫通して下方に延び、昇降機構（図示せず）により昇降可能となっている。支持部材２１と処理容器１０の底壁との間にはシール機構（図示せず）が設けられている。ステージ２０および支持部材２１は、例えば、金属、例えば表面が陽極酸化処理されたアルミニウム等の金属で構成されている。ステージ２０には、基板Ｗを搬送するためにステージ２０の表面に対して突没するように昇降する昇降ピン（図示せず）が設けられている。また、ステージ２０には、基板Ｗを静電吸着するための静電チャック、およびヒータ等の温調機構が設けられていてもよい。
　処理容器１０の底部には、排気口２２が形成されており、排気口２２には排気管２３が接続されている。排気管２３には真空ポンプや圧力制御バルブ等を含む排気装置２４が接続されている。そして、この排気装置２４を作動させることにより、処理空間である下部空間１１が排気され、下部空間１１が所定の真空度に保持されるようになっている。また、処理容器１０の側壁には、基板Ｗの搬入出を行うための搬入出口２５が形成されており、この搬入出口２５はゲートバルブ２６により開閉可能となっている。
　プラズマ生成部３０は、上部空間１２に設けられており、下部電極としての下部シャワープレート４１と、上部電極としての上部シャワープレート４２と、上部シャワープレート４２の上に設けられた封止板４３とを有し、シャワーヘッドとして構成される。下部電極としての下部シャワープレート４１と上部電極としての上部シャワープレート４２は平行平板電極を構成し、これらの間の空間はプラズマ生成空間４５となる。
　下部シャワープレート４１および上部シャワープレート４２は、アルミニウム合金、チタン、ステンレス鋼等の金属で構成され、円板状をなし、外周部に設けられた絶縁リング４４を介して間隔をおいて積層されている。絶縁リング４４は、アルミナ、石英、イットリア、テフロン（登録商標）等の絶縁体で構成されており、絶縁リング４４と下部シャワープレート４１との間、および上部シャワープレート４２との間は、シールリング（Ｏリング）のような封止部材により封止されている。
　下部シャワープレート４１には上下に貫通する複数のガス孔４１ａが形成され、上部シャワープレート４２には上下に貫通する複数のガス孔４２ａが形成されている。下部シャワープレート４１および上部シャワープレート４２の間隔、すなわち平行平板電極の間隔（電極間隔）は、後述するように、周波数に応じて準ＴＥＭ波が得られるように設定されてよい。
　下部シャワープレート４１は、処理容器１０内を下部空間１１と上部空間１２とに分ける機能を有しており、処理容器１０の側壁に取り付けられている。下部シャワープレート４１の下面と処理容器１０の側壁との間はシールリング（Ｏリング）のような封止部材により封止されており、処理空間である下部空間１１内が気密に保持される。
　封止板４３は、アルミニウム合金、チタン、ステンレス鋼等の金属で構成され、上部シャワープレート４２を封止し、大気雰囲気と真空雰囲気とを画成する機能を有する。封止板４３の外縁部は下方に突出しており、封止板４３の外縁部と上部シャワープレート４２との間はシールリング（Ｏリング）のような封止部材により封止されている。封止板４３と上部シャワープレート４２との間の空間は、ガス拡散空間４６となっている。
　プラズマ処理装置１００は、さらに、高周波電源５０およびガス供給部６０を有している。
　高周波電源５０は、下部電極である下部シャワープレート４１と上部電極である上部シャワープレート４２との間に高周波電界を形成するものである。高周波電源５０から延びる給電線５２は、処理容器１０の天壁１０ａに設けられた高周波導入部２７を経て封止板４３に接続されている。給電線５２には整合器５１が介装されている。高周波電源５０からの高周波は、封止板４３を経て上部電極である上部シャワープレート４２に印加され、平行平板電極を構成する下部シャワープレート４１と上部シャワープレート４２との間のプラズマ生成空間４５に高周波電界が形成される。高周波電源５０の周波数はプラズマが生成できれば特に限定はないが、ＶＨＦ～ＵＨＦ帯（数百ｋＨｚ～数百ＭＨｚの範囲）が好適である。処理容器１０の天壁と封止板４３との間の給電線５２の周囲の空間は高周波伝搬部５３となっている。
　ガス供給部６０は、プラズマ処理を行うための処理ガス、調圧やパージのための不活性ガス等を供給する。プラズマ処理がＣＶＤやＡＬＤ等の成膜処理の場合、処理ガスとして、成膜原料ガスと反応ガスが用いられる。成膜原料ガスの熱分解反応で成膜される場合には、処理ガスとして成膜原料ガスのみを供給してもよい。ガス供給部６０からガス供給配管６１が延びており、ガス供給配管６１はガス導入路６２に接続されている。ガス導入路６２は、処理容器１０の天壁１０ａ、天壁１０ａと封止板４３との間に設けられたスペーサ６３、および封止板４３を経てガス拡散空間４６に接続されている。したがって、ガス供給部６０から供給された処理ガスは、ガス供給配管６１、ガス導入路６２、ガス拡散空間４６、ガス孔４２ａを経てプラズマ生成空間４５に至る。そして、上部シャワープレート４２と下部シャワープレート４１との間に形成された高周波電界によりプラズマ生成空間４５に容量結合プラズマが生成される。プラズマ生成空間４５で生成されたプラズマは、活性種や荷電粒子で構成され、ガス孔４１ａから活性種のみ、もしくは活性種と荷電粒子が処理空間である下部空間１１に導入される。すなわち、ガス孔４１ａは、プラズマ生成空間４５の活性種のみ、もしくは活性種と荷電粒子を処理空間である下部空間１１に導入するプラズマ導入部として機能する。
　上部シャワープレート４２と下部シャワープレート４１との間には、これらを熱的に接続するように絶縁体で構成された下部伝熱部材７１が設けられている。図１の例では下部伝熱部材７１は複数（例えば６個）設けられている。複数の下部伝熱部材７１は、好適には軸対称の位置に設けることができる。下部伝熱部材７１は例えば中央に１個設けられていてもよい。下部伝熱部材７１は、プラズマから下部シャワープレート４１に及ぼされた熱を伝熱により逃がす機能を有する。
　下部シャワープレート４１と上部シャワープレート４２との間には容量結合プラズマが生成されるため、下部伝熱部材７１は絶縁体である必要がある。下部伝熱部材７１を構成する絶縁体としては、伝熱により有効に熱を逃がすことが可能なように、熱伝導率が高い絶縁体を用いることができる。このような熱伝導率が高い絶縁体としては、例えば、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、炭化珪素（ＳｉＣ）、石英ガラス、イットリア（Ｙ２Ｏ３）等を挙げることができる。これらの中では特に熱伝導率が高いＡｌＮを好適に用いることができる。下部伝熱部材７１を構成する絶縁体としては樹脂であってもよく、例えば、ポリイミド、ポリフェニレンサルファイド、ポリエーテルエーテルケトンのような熱伝導率が高い樹脂を用いることができる。下部伝熱部材７１の熱伝導率は、使用温度に合わせて選択してよく、例えば、使用温度が２０～２００℃の範囲で１００Ｗ／Ｋ・ｍ以上の熱伝導率を有する材料が好ましい。このような高い熱伝導率は、上述したＡｌＮにより達成することができる。
　図２に詳細に示すように、下部伝熱部材７１は、下部シャワープレート４１の上面に形成された凹部４８および上部シャワープレート４２の下面に形成された凹部４９に嵌合されている。そして、下部伝熱部材７１は、例えば、ＡｌＮ、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＣ等の絶縁体からなるネジ７４により、上部シャワープレート７２の上方から下部伝熱部材７１を介して下部シャワープレート４１に螺合することにより締結される。
　上部シャワープレート４２と封止板４３との間には、これらを熱的に接続するように金属製の上部伝熱部材７２が設けられている。図１の例では上部伝熱部材７２は複数（例えば６個）設けられている。複数の上部伝熱部材７２は、好適には軸対称の位置に設けられている。上部伝熱部材７２は例えば中央に１個設けられていてもよい。上部伝熱部材７２は、上部シャワープレート４２に伝熱された熱を封止板４３へ導く機能を有している。封止板４３の上部の空間は大気雰囲気であり、上部伝熱部材７２から封止板４３に伝熱された熱は、熱対流等により除去される。
　上部伝熱部材７２は、例えば上部シャワープレート４２と同じ材料で上部シャワープレート４２と一体に構成されている。図２に詳細に示すように、上部伝熱部材７２と封止板４３とは金属製のネジ７５で締結されており、上部伝熱部材７２と封止部材４３との間はシールリング（Ｏリング）のような封止部材７６で封止されていてよい。なお、上部伝熱部材７２は上部シャワープレート４２と別体であってもよい。
　プラズマ処理装置１００は、さらに制御部８０を有している。制御部８０は、プラズマ処理装置１００の構成部である排気装置２４、高周波電源５０、ガス供給部６０のバルブ類等を制御する。制御部８０は、ＣＰＵを有する主制御部と、入力装置、出力装置、表示装置、および記憶装置とを有している。そして、記憶装置の記憶媒体に記憶された処理レシピに基づいてプラズマ処理装置１００の処理が制御される。
　次に、以上のように構成されたプラズマ処理装置１００による処理動作について説明する。
　まず、基板Ｗを処理容器１０の処理空間である下部空間１１に搬入し、ステージ２０上に載置する。次いで、ガス供給部６０から不活性ガスをシャワーヘッドを構成するプラズマ生成部３０を介して下部空間１１に供給しつつ排気装置２４により下部空間１１を排気して調圧し、所望の真空雰囲気とする。
　この状態で、ガス供給部６０から処理ガスをシャワーヘッドを構成するプラズマ生成部３０に供給するとともに、高周波電源５０から封止板４３を経て上部電極である上部シャワープレート４２に高周波電力を印加する。
　具体的には、上部シャワープレート４２に高周波電力を印加することにより、下部電極である下部シャワープレート４１と上部電極である上部シャワープレート４２との間のプラズマ生成空間４５に高周波電界が形成される。また、処理ガスをプラズマ生成部３０に供給することにより、処理ガスはガス拡散空間４６からガス孔４２ａを経てプラズマ生成空間４５に至り、高周波電界によりプラズマ生成空間４５に容量結合プラズマが生成される。生成されたプラズマは、活性種や荷電粒子で構成され、プラズマ導入部として機能するガス孔４１ａから活性種のみ、もしくは活性種と荷電粒子が処理空間である下部空間１１に導入され、基板Ｗに供給されて基板Ｗに処理が施される。
　このとき、プラズマ生成空間４５にプラズマが生成されると、プラズマ中のイオン、電子が下部シャワープレート４１の上面および上部シャワープレート４２の下面に入射する。入射するイオン、電子は運動エネルギーを持っており、これらの面に衝突する際、これらの面に熱を与える。また、ステージ２０上の基板Ｗが加熱される場合は、基板Ｗからも下部シャワープレート４１および上部シャワープレート４２に熱が与えられる。
　ところで、半導体製造技術の高度化にともない、プラズマ処理装置の高性能化が求められており、特に、ＣＶＤやＡＬＤ等の成膜用プラズマ処理装置においては、気相中の活性種密度やプラズマ密度の増大による生産性向上が求められている。本実施形態のようなリモートタイプのプラズマ処理装置において、生産性向上のため大電力が投入されると、投入電力に比例して上部シャワープレート４２の下面および下部シャワープレート４１の上面に与えられる熱量が大きくなる。このため、下部シャワープレート４１の上面および上部シャワープレート４２の下面の温度が高くなり、下部伝熱部材７１が存在しない場合には、熱膨張差により、上部シャワープレート４２は下に凸に反り、下部シャワープレート４１は上に凸に反るおそれがある。このように下部電極である下部シャワープレート４１および上部電極である上部シャワープレート４２に反りが生じると、これらの間の距離（電極間隔）が一定に保たれず、生成されるプラズマが不均一となってしまう。
　特に、活性種密度やプラズマ密度を増加させてプラズマ処理の効率化を図るために高周波電力の周波数を例えば１８０ＭＨｚ以上と高くすると、後述するように、均一なプラズマを生成するために必要な準ＴＥＭ波が得られる電極間隔が小さくなり、例えば２～３ｍｍとなる。このように電極間隔が小さくなると、下部電極である下部シャワープレート４１および上部電極である上部シャワープレート４２で発生する反りによる電極間隔の変動割合が相対的に大きくなり、プラズマの均一性に与える影響は大きいものとなる。
　このような電極の反りを抑制するためには、下部電極および上部電極の奪熱を効果的に行うことが有効であり、そのためには、下部電極および上部電極を厚くしてこれらの径方向の熱抵抗を低下させることが有効であると考えられる。また、電極内部に冷媒流路を設けて冷媒により奪熱することも有効であると考えられる。いずれにしても、効果的に奪熱しようとすると、従来の技術常識では、下部電極および上部電極を厚くせざるを得なかった。
　しかし、リモートタイプのプラズマ処理装置では、プラズマ生成空間で生成されたプラズマ中の活性種や荷電粒子が下部電極である下部シャワープレートのガス孔を経て処理空間に吐出されるため、下部電極が厚いとガス孔が長くなり、活性種や荷電粒子が失活しやすくなる。このため、大電流を投入しても生産性を向上させることが困難である。
　そこで、本実施形態では、下部電極である下部シャワープレート４１および上部電極である上部シャワープレート４２の間に、これらを熱的に接続するように、絶縁体で構成された下部伝熱部材７１を設ける。これにより、下部シャワープレート４１および上部シャワープレート４２の間の絶縁性を維持しつつ、下部伝熱部材７１を介して熱を逃がすことができる。
　具体的には、下部シャワープレート４１に流入した熱は、下部伝熱部材７１を介して上部シャワープレート４２に伝熱する。そして、上部シャワープレート４２に流入した熱を、上部伝熱部材７２を介して封止板４３に伝熱する。封止板４３の上部の空間は大気雰囲気となっているため、封止板４３に流入した熱は熱対流等により除去される。
　このようにして下部伝熱部材７１を設けて奪熱を行うので、大電力が投入された場合でも下部シャワープレート４１および上部シャワープレート４２の熱を有効に除去することができる。このため、下部電極および上部電極である下部シャワープレート４１および上部シャワープレート４２の反りを抑制することができる。これにより、下部シャワープレート４１および上部シャワープレート４２の間の距離（電極間隔）を極力一定に保持でき、プラズマの不均一を抑制して、基板Ｗに対し均一なプラズマ処理を行うことができる。特に、高周波電力の周波数が高い場合、上述したように電極間隔を小さくすることが有利であるが、電極間隔の変動影響が大きい場合でも下部伝熱部材７１により有効に熱を逃がすことにより、電極間隔の変動を抑制し、均一なプラズマの処理を行うことができる。このように下部シャワープレート４１および上部シャワープレート４２の熱を有効に除去できるため、これらを薄くしても反りを抑制でき、ガス孔４１ａを通過する活性種の失活も抑制できる。
　また、プラズマ生成空間４５のプラズマ中のイオンおよび電子の入射により下部シャワープレート４１および上部シャワープレート４２の温度が上昇してこれらが多少反った場合でも、反りは下部伝熱部材７１を挟み込む方向に作用する。このため、下部伝熱部材７１と下部シャワープレート４１および上部シャワープレート４２とが密着してこれらの間の接触熱抵抗を減少させ、より効果的に熱を散逸させて、それ以上の反りを防止することができる。さらに、下部伝熱部材７１は、下部シャワープレート４１および上部シャワープレート４２の間隔を物理的に一定になるように保持することができる。このため、下部シャワープレート４１および上部シャワープレート４２に変形しようとする力が作用しても、下部伝熱部材７１によりこれらの間隔が変化することが抑制され、プラズマ生成空間４５に均一かつ安定したプラズマを生成しやすくなる。
　さらにまた、下部伝熱部材７１としてＡｌＮ、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＣ、石英ガラス、Ｙ２Ｏ３等の熱伝導率の高い絶縁体を用いることにより、伝熱により熱を逃がす効果を高めることができる。また、下部伝熱部材７１を構成する絶縁体の熱伝導率は使用温度に合わせて選択することができ、特に、例えば、２０～２００℃の範囲の使用温度で１００Ｗ／Ｋ・ｍ以上という高い熱伝導率を有する材料が好ましい。このような高い熱伝導率を有する絶縁体としてＡｌＮを好適に用いることができる。
　下部伝熱部材７１の個数および配置は特に限定されず、プラズマの均一性と伝熱効果を考慮して設定すればよく、単体であっても複数であってもよい。下部伝熱部材７１が複数の場合は、これらを軸対称の位置に配置することにより均一に熱を逃がすことができる。
　次に、平行平板電極を構成する下部シャワープレート４１と上部シャワープレート４２の間隔について説明する。
　均一なプラズマを生成する観点から、高周波を準ＴＥＭ波として伝搬させることが好ましい。準ＴＥＭ波以外のモードが出るとプラズマの均一性が悪くなる。高周波電力を準ＴＥＭ波として伝搬させるためには、平行平板電極を構成する下部シャワープレート４１と上部シャワープレート４２の間隔（電極間隔）ｄをプラズマ表皮深さより小さくする必要がある。電極間隔ｄがプラズマ表皮深さより大きくなると準ＴＥＭ波以外のモードが出てしまう。また、より高いプラズマ均一性を得るためには準ＴＥＭ波の波長が長いことが有効であり、そのような観点から電極間隔ｄをプラズマ表皮深さより十分に小さくすることが好ましい。
　この点についてより詳しく説明する。
　準ＴＥＭ波の波長λは、近似的に以下の（１）式で表される（P. Chabert, J.-L. Raimbault, J.-M. Rax, and A. Perret, “Suppression of the standing wave effect in high frequency capacitive discharges using a shaped electrode and dielectric lens: Self-consistent approach,” PHYSICS OF PLASMAS, 11, 8(2004). ）。
　　λ＝４０λ０Ｖ０ １／１０ｄ－１／２ｆ－２／５　　　　（１）
　ここで、λ０は真空中の波長（ｍ）、Ｖ０は高周波の振幅（Ｖ）、ｆは周波数（Ｈｚ）である。円形の電極の場合、電極間には、電極中心を腹とする定在波が形成される。径方向位置ｒにおける電極間電圧Ｖ（ｒ）は、以下の（２）式で表される。
　　Ｖ（ｒ）＝Ｖ０Ｊ０（ｋｒ）　　　　（２）
　ここで、Ｊ０は、０次の第１種Ｂｅｓｓｅｌ関数であり、ｋは波数である。基板の半径をＲとした場合に、例えば０．８Ｖ（０）＜Ｖ（Ｒ）とするために、上記（２）式より、λ＞９．８Ｒが得られる。これを（１）式に代入すると、以下の（３）式が得られる。
　　ｄ＜１７（λ０／Ｒ）２Ｖ０ １／５ｆ－４／５　　　（３）
　（３）式から、周波数が高いほど、電極間隔ｄを小さく設定する必要があることが導かれ、例えばｆ＝１００ＭＨｚでは、十分に均一なプラズマを得るために電極間隔ｄを７ｍｍより小さくすることが好ましいことが導かれる。
　＜第２の実施形態＞
　次に第２の実施形態について説明する。
　図３は、第２の実施形態に係るプラズマ処理装置の要部を示す断面図である。
　本実施形態では、図３に示すように、下部シャワープレート４１の下部伝熱部材７１の周辺部分のガス孔４１ｂの直径を、他の通常のガス孔４１ａよりも大きく形成している。他の構成は第１の実施形態と同じであるので説明を省略する。
　プラズマ生成空間に絶縁体が存在する場合、絶縁体の周辺部分においてプラズマ中の荷電粒子が消失する。したがって、プラズマ生成空間に存在する絶縁体の周辺部分ではプラズマ密度が他の部分よりも低くなる。このため、ガス孔の直径が均一であると、絶縁体の周辺のガス孔からの活性種の放出量が他のガス孔からの活性種の放出量よりも少なくなり、処理空間である下部空間１１において活性種の分布の均一性が不十分となる場合がある。この場合には、基板Ｗに対して必ずしも均一なプラズマ処理を行えない。
　そこで、本実施形態では、下部シャワープレート４１において、絶縁体である下部伝熱部材７１の周辺部分のガス孔４１ｂの直径を、他のガス孔４１ａよりも大きくする。これにより、ガス孔４１ｂ内での活性種の失活を抑制し、下部伝熱部材７１の周辺部分のガス孔からの活性種放出量の低下を補うことができ、下部空間１１における活性種の分布を均一にして基板Ｗに対して均一なプラズマ処理を行うことができる。
　＜第３の実施形態＞
　次に第３の実施形態について説明する。
　図４は、第３の実施形態に係るプラズマ処理装置の要部を示す断面図である。
　本実施形態では、図４に示すように、上部シャワープレート４２は、内部にガス流路９１を有する構成となっている。上部シャワープレート４２の下部には、ガス流路９１から延び、プラズマ生成空間４５に開口する複数のガス孔４２ｂが形成されている。また、軸方向に貫通する孔７８を有する絶縁体からなるネジ７７を、上部シャワープレート４２の上方から下部伝熱部材７１を経て下部シャワープレート４１に螺合することにより、下部伝熱部材７１が締結される。下部プレート４１には、ネジ７７の孔７８に連通するガス孔４１ｃが形成されている。また、上部伝熱部材７２は、軸方向に貫通する孔９３を有する金属製のネジ９２で締結されている。上部伝熱部材７２にはガス流路９１に開口するガス孔７２ａが形成されている。
　本実施形態では、処理ガスのうちプラズマ化したいものを、孔９３、ガス孔７２ａ、ガス流路９１、ガス孔４２ｂを経てプラズマ生成空間４５に供給することができる。一方、処理ガスのうちプラズマ化したくないものを、ガス流路６２、ガス拡散空間４６、孔７８、ガス孔４１ｃを介してプラズマ生成空間４５を経ることなく処理空間である下部空間１１へ供給することができる。
　例えば、ＣＶＤやＡＬＤの成膜処理では、原料ガスはプラズマ化したくなくが、反応ガスはプラズマ化したい場合があり、その場合は、本実施形態により、反応ガスはプラズマ生成空間４５でプラズマ励起し、原料ガスはプラズマ生成空間４５を経ることなく下部空間１１に供給することができる。
　なお、上記説明では、プラズマ化したいガスを上部伝熱部材７２に設けられたガス孔７２ａを介してプラズマ生成空間４５に連通するガス流路９１に供給する例を示したが、これに限定されない。
　＜第４の実施形態＞
　次に第４の実施形態について説明する。
　本実施形態では、下部伝熱部材７１に関する形状ファクターの好ましい範囲を規定する。図５は、第４の実施形態に係るプラズマ処理装置の要部を示す断面図である。なお、図５は便宜上、第３の実施形態の図４を基準としているが、本実施形態は第１の実施形態や第２の実施形態の図１～３を基準としても変わりはない。
　下部伝熱部材７１は、下部シャワープレート４１に設けられた凹部４８および上部シャワープレート４２に設けられた凹部４９に嵌合しており、下部伝熱部材７１の長さが下部シャワープレート４１と上部シャワープレート４２との間隔（電極間距離）より長くなっている。また、下部伝熱部材７１の側面と凹部４８および凹部４９の側面との間には隙間ｇが形成されている。このように、下部伝熱部材７１の長さが電極間距離より長いこと、嵌合部に隙間ｇが設けられていることにより、絶縁体の下部伝熱部材７１の設置による寄生容量の増加を抑制することができ、プラズマ生成空間４５において高周波電流の偏りによるプラズマ分布の悪化を回避しやすい。
　下部伝熱部材７１の側面と凹部４８および凹部４９の側面との間の隙間ｇは、プラズマのシース厚さ（０．１～１ｍｍ）よりも小さいことが望ましい。すなわち、隙間ｇ内にプラズマが入り込むとプラズマの分布が悪化することがあるため、隙間ｇをシース厚さよりも小さくして隙間ｇへのプラズマの侵入を抑制する。
　図５に示すように、下部伝熱部材７１の下部シャワープレート４１および上部シャワープレート４２への嵌合深さをｈ、下部シャワープレート４１と上部シャワープレート４２との間隔（電極間距離）をｄとした場合に、ｈ＞０．１ｄが好ましい。この関係を満たすことにより、嵌合部を設けることによる寄生容量を減らす効果をより高めることができる。
　また、下部伝熱部材７１の直径をｐとした場合に、ｈ＜３ｐが好ましい。嵌合部の深さｈが３ｐよりも大きくなると、嵌合部の深さｈを変えても寄生容量がほとんど変化しない一方、下部伝熱部材７１の熱抵抗が大きくなってしまう。
　＜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。
　例えば上記実施形態では、下部シャワープレートを下部電極とし、上部シャワープレートを上部電極として、プラズマ生成空間へ処理ガスをシャワー状に供給するとともに、プラズマ中の活性種をシャワー状に処理空間に導く例を示した。しかし、平行平板電極間にプラズマを励起し、プラズマを処理空間に導入するリモートタイプのプラズマ処理装置であれば上記実施形態に限るものではない。また、上記実施形態では、上部シャワープレートの上にガス拡散空間を介して封止板を設け、上部シャワープレートと封止板との間に上部伝熱部材を設けて上部シャワープレートの熱を上部伝熱部材に伝熱する構造としたが、これに限るものではない。さらに、プラズマ処理としてＣＶＤやＡＬＤ等の成膜処理を例にとって説明したが、これに限るものでなく、例えばプラズマエッチング等の他のプラズマ処理であってもよい。
　１０；処理容器、１１；下部空間（処理空間）、２０；ステージ、２４；排気装置、３０；プラズマ生成部、４１；下部シャワープレート（下部電極）、４２；上部シャワープレート（上部電極）、５０；高周波電源、６０；ガス供給部、７１；下部伝熱部材（伝熱部材）、７２；上部伝熱部材、１００；プラズマ処理装置、Ｗ；基板

Claims (20)

  1. 　基板が配置される処理空間を有する処理容器と、
    　互いに対向して設けられ、平行平板電極として構成される第１電極および第２電極を有し、前記第１電極および前記第２電極との間にプラズマ生成空間が形成されるプラズマ生成部と、
    　前記第１電極と前記第２電極との間に高周波電界を形成する高周波電力供給手段と、
    　前記プラズマ生成空間にプラズマを生成するための処理ガスを供給するガス供給部と、
    　前記プラズマ生成空間に生成されたプラズマを前記処理空間に導入するプラズマ導入部と、
    　前記第１電極と前記第２電極との間に、これらを熱的に接続するように設けられた、絶縁体からなる伝熱部材と、
    を有し、前記処理空間に導入されたプラズマにより前記基板にプラズマ処理が施される、プラズマ処理装置。
  2. 　前記伝熱部材は、前記第１電極と前記第２電極との間隔を一定に保持するように設けられる、請求項１に記載のプラズマ処理装置。
  3. 　前記伝熱部材は複数設けられ、複数の前記伝熱部材は軸対称の位置に設けられる、請求項１に記載のプラズマ処理装置。
  4. 　前記伝熱部材は、窒化アルミニウム、アルミナ、炭化珪素、石英ガラス、イットリアから選択された材料で構成される、請求項１に記載のプラズマ処理装置。
  5. 　前記伝熱部材の熱伝導率は、使用温度に応じて選択される、請求項１に記載のプラズマ処理装置。
  6. 　前記伝熱部材の熱伝導率は、使用温度が２０～２００℃の範囲で１００Ｗ／Ｋ・ｍ以上である、請求項５に記載のプラズマ処理装置。
  7. 　前記伝熱部材は窒化アルミニウムで構成される、請求項６に記載のプラズマ処理装置。
  8. 　前記伝熱部材は、寄生容量の発生が抑制されるように設けられる、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. 　前記伝熱部材は、前記第１電極および前記第２電極に形成された凹部に嵌合されている、請求項８に記載のプラズマ処理装置。
  10. 　前記伝熱部材の側面と前記凹部との隙間は、プラズマのシース厚さよりも小さい、請求項９に記載のプラズマ処理装置。
  11. 　前記凹部の深さをｈ、前記第１電極と前記第２電極の間隔をｄとした場合に、ｈ＞０．１ｄを満たす、請求項９に記載のプラズマ処理装置。
  12. 　前記凹部の深さをｈ、前記伝熱部材の直径をｐとした場合に、ｈ＜３ｐを満たす、請求項９に記載のプラズマ処理装置。
  13. 　前記プラズマ生成部は、シャワーヘッドを構成し、前記第１電極は複数の第１のガス孔を有する下部シャワープレートであり、前記第２電極は複数の第２のガス孔を有する上部シャワープレートであり、前記第１のガス孔が前記プラズマ導入部として機能し、前記上部シャワープレートとの間にガス拡散空間を有するように前記上部シャワープレートを封止する封止部材と、前記上部シャワープレートと前記封止部材との間に、これらを熱的に接続するように設けられた第２伝熱部材と、をさらに有し、
    　前記ガス供給部からプラズマを生成するための処理ガスが前記ガス拡散空間および前記第２のガス孔を経て前記プラズマ生成空間に供給され、
    　前記プラズマ生成空間で生成された前記プラズマが、前記プラズマ導入部としての前記第１のガス孔を通過して前記処理空間に導入される、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。
  14. 　複数の前記第１のガス孔のうち、前記伝熱部材の周辺部分に存在するものは、他のものよりも大きく形成される、請求項１３に記載のプラズマ処理装置。
  15. 　前記伝熱部材は、貫通孔を有し、絶縁体からなるネジで前記下部シャワープレートおよび前記上部シャワープレートに締結され、前記処理ガスの一部が前記ネジの前記貫通孔を通過して前記プラズマ生成空間を経ずに前記処理空間に供給され、前記処理ガスの残部が前記プラズマ生成空間でプラズマ化された後、前記プラズマ導入部としての前記第１のガス孔を通過して前記処理空間に導入される、請求項１３に記載のプラズマ処理装置。
  16. 　前記プラズマ処理が成膜原料ガスと反応ガスとの反応により基板上に膜を形成する成膜処理であり、前記プラズマ生成空間を経ずに前記処理空間に供給される前記処理ガスの一部が前記成膜原料ガスであり、前記プラズマ生成空間でプラズマ化される前記処理ガスの残部が前記反応ガスである、請求項１５に記載のプラズマ処理装置。
  17. 　前記第１電極と前記第２電極との間隔は、前記高周波電力が準ＴＥＭ波として伝搬されるように、プラズマ表皮深さよりも小さく設定される、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。
  18. 　前記第１電極と前記第２電極との間隔ｄは、以下の式を満たすように設定される、請求項１７に記載のプラズマ処理装置。
    　ｄ＜１７（λ０／Ｒ）２Ｖ０ １／５ｆ－４／５
    ただし、λ０は真空中の波長（ｍ）、Ｖ０は高周波の振幅（Ｖ）、ｆは周波数（Ｈｚ）、Ｒは基板の半径である。
  19. 　前記高周波電力供給手段が供給する高周波電力の周波数は、ＶＨＦ～ＵＨＦ帯である、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。
  20. 　プラズマ処理装置により基板に対してプラズマ処理を行うプラズマ処理方法であって、
    　前記プラズマ処理装置として、基板が配置される処理空間を有する処理容器と、互いに対向して設けられ、平行平板電極として構成される第１電極および第２電極を有し、前記第１電極および前記第２電極との間にプラズマ生成空間が形成されるプラズマ生成部と、前記第１電極と前記第２電極との間に高周波電界を形成する高周波電力供給手段と、前記プラズマ生成空間にプラズマを生成するための処理ガスを供給するガス供給部と、前記プラズマ生成空間に生成されたプラズマを前記処理空間に導入するプラズマ導入部と、前記第１電極と前記第２電極との間に、これらを熱的に接続するように設けられた絶縁体からなる伝熱部材と、を有するものを用いることと、
    　前記第１電極と前記第２電極との間に高周波電界を形成することと、
    　前記プラズマ生成空間に前記処理ガスを供給して前記高周波電界によりプラズマを生成することと、
    　前記プラズマ導入部を介して前記プラズマを前記処理空間に導入し、前記基板にプラズマ処理を施すことと、
    　前記プラズマ処理の際に前記伝熱部材により前記第１電極および前記第２電極に生じた熱を逃がすことと、
    を有する、プラズマ処理方法。
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