WO2023248781A1 - プラズマ処理装置 - Google Patents

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WO2023248781A1
WO2023248781A1 PCT/JP2023/020960 JP2023020960W WO2023248781A1 WO 2023248781 A1 WO2023248781 A1 WO 2023248781A1 JP 2023020960 W JP2023020960 W JP 2023020960W WO 2023248781 A1 WO2023248781 A1 WO 2023248781A1
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WO
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electromagnetic wave
electrode
processing apparatus
plasma
plasma processing
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PCT/JP2023/020960
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English (en)
French (fr)
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太郎 池田
聡文 北原
Original Assignee
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
    • 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
    • C23C16/511—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 microwave discharges
    • 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.
  • Patent Document 1 includes an upper electrode, a lower electrode, and an electromagnetic wave emitting part, and the electromagnetic wave emitting part is provided at a height between the heights of the upper electrode and the lower electrode, and is directed toward the center of the processing container.
  • a plasma processing apparatus with an opening is disclosed.
  • the present disclosure provides a plasma processing apparatus that can stably ignite plasma.
  • a processing container in which a plasma generation space is formed, an electrode to which electromagnetic waves for generating plasma are applied, and a waveguide provided along the outer periphery of the electrode. , an electromagnetic wave radiating section formed of a dielectric material and radiating the electromagnetic wave into the plasma generation space; a gap formed between the electrode and the electromagnetic wave radiating section; A plasma processing apparatus is provided having a multipactor discharge section facing a generation space.
  • plasma can be stably ignited.
  • FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing an example of a plasma processing apparatus according to an embodiment.
  • FIG. 3 is a schematic cross-sectional view showing another example of the plasma processing apparatus according to the embodiment.
  • FIG. 3 is an enlarged view of a multipactor discharge section according to an embodiment.
  • FIG. 3 is a diagram for explaining the aspect ratio of a gap in a multipactor discharge section according to an embodiment.
  • FIG. 3 is a diagram showing an example of the relationship between the gap distance of the multipactor discharge section and the frequency of high frequency according to one embodiment.
  • FIG. 3 is a diagram showing an example of the relationship between the gap distance of the multipactor discharge section and the frequency of high frequency according to one embodiment.
  • FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing an example of a plasma processing apparatus 100 according to an embodiment.
  • the plasma processing apparatus 100 includes a processing container 1 having an opening at the top, a lid 1L that seals the upper opening of the processing container 1, a mounting table 2 (lower electrode, stage) disposed inside the processing container 1, and a mounting table 2 (lower electrode, stage) disposed inside the processing container 1. and a plasma generation source located above the mounting table 2.
  • the plasma generation source has an upper electrode 5 disposed facing the mounting table 2 and an electromagnetic wave emitting section 7 having an electromagnetic wave emitting port.
  • a plasma generation space U is formed between the upper electrode 5 and the mounting table 2 in the processing container 1 .
  • the electromagnetic wave radiation section 7 is made of a dielectric material such as alumina (Al 2 O 3 ). Electromagnetic waves RF are radiated from the lower part of the electromagnetic wave radiating section 7.
  • the electromagnetic wave emitting section 7 is an introduction section for electromagnetic waves, and a step having an annular upper surface is formed on the inner wall surface of the processing container 1 .
  • the electromagnetic wave emitting section 7 engages with this step, is disposed on this upper surface, and is supported by this upper surface.
  • the electromagnetic wave emitting section 7 is fitted along the entire circumference of the processing container 1 . That is, the electromagnetic waves RF are radiated downward over the entire circumference from the electromagnetic wave radiating section 7 arranged in the circumferential direction of the processing container 1 .
  • a substrate W is placed on the mounting table 2.
  • the substrate W is not particularly limited as long as it can be subjected to plasma treatment, but examples include a semiconductor substrate, an insulating substrate such as glass or alumina, or a metal substrate.
  • the gas inside the processing container 1 can be exhausted to the outside via the gas exhaust port 19 by the exhaust device 20.
  • a processing gas is supplied into the processing container 1 from a gas supply source 18 via a supply pipe 17 .
  • the upper electrode 5 has a shower structure having a gas diffusion chamber 16 in its internal space, and the supply pipe 17 penetrates the lid 1L, crosses the waveguide 9, and enters the gas diffusion chamber 16. connected in communication.
  • the upper electrode 5 of this example has a metal shower plate structure, and includes a gas diffusion chamber 16 into which a processing gas is introduced, and a plurality of gases that connect the gas diffusion chamber 16 and the space inside the processing container 1. It has a hole 14.
  • the upper electrode 5 is made up of an upper metal member 5A having a recess on the lower surface and a lower metal member 5B having a plurality of gas holes 14, and a gas diffusion chamber 16 is formed at the position of the recess between these metal members. ing.
  • the processing gas introduced into the gas diffusion chamber 16 is supplied into the processing chamber 1 through a plurality of gas holes 14 provided in the lower region of the upper electrode 5 .
  • the upper electrode 5 is an example of an electrode to which electromagnetic waves for generating plasma are applied.
  • a waveguide 9 is formed along the outer periphery of the upper electrode 5 between the upper electrode 5 and the lower surface of the lid 1L and the inner surface of the processing container 1. Electromagnetic wave power is supplied from the power supply 11 to the upper part of the upper electrode 5 via the first matching box 10 and the power transmission line 8 . The supplied electromagnetic waves travel radially and horizontally through the waveguide 9. When this electromagnetic wave hits the inner surface of the processing container 1, it travels downward, passes through the electromagnetic wave emitting section 7, and is emitted into the plasma generation space U from the lower surface thereof and the multipactor discharge section 15, which will be described later.
  • the electromagnetic waves may be in the VHF band or the microwave band.
  • the exhaust device 20 When a processing gas is introduced into the processing container 1 and the inside of the processing container 1 is depressurized by the exhaust device 20 to a pressure at which plasma can be generated, electromagnetic waves are introduced into the processing container 1. Plasma is generated in the plasma generation space U below 5. The plasma generation space U will be located directly below the upper electrode 5. Note that one end of the power supply 11 is connected to the first matching box 10, and the other end is connected to the ground. Further, the power transmission line 8 may be anything that can transmit electromagnetic waves such as VHF band, and as the electromagnetic wave transmission component, it is also possible to use a coaxial cable in addition to a waveguide. Note that although the mounting table 2 is electrically connected to the ground in this example, it is also possible to apply high frequency waves, electromagnetic waves, or the like.
  • the central axis extending in the vertical direction is the Z-axis
  • the axis perpendicular to the Z-axis is the X-axis
  • the axis perpendicular to both the Z-axis and the X-axis is the Y-axis.
  • the XY plane constitutes a horizontal plane.
  • the central axis of the electromagnetic wave emitting section 7 coincides with the vertical central axis (Z-axis) of the processing container 1 .
  • the planar shape of the upper electrode 5 when viewed from above is circular, and the center position of the upper electrode 5 coincides with the position of the vertical central axis (Z-axis) of the processing container 1.
  • a gap formed by cutting out the upper electrode 5 between the upper electrode 5 and the electromagnetic wave emitting part 7 over the entire circumference.
  • the gap is an example of the multipactor discharge section 15 that is formed between the upper electrode 5 and the electromagnetic wave emitting section 7 and faces the plasma generation space U.
  • the electromagnetic wave radiation section 7 is provided at the end point of the waveguide 9, has a lower portion protruding toward the inner circumference, and surrounds a notch of the upper electrode 5 provided on the outer circumference of the upper electrode 5 from the outer circumference.
  • the multipactor discharge section 15 is provided at a position in contact with the plasma generation space U, the upper electrode 5, and the electromagnetic wave emitting section 7.
  • the radial cross section of the gap in the multipactor discharge section 15 is rectangular.
  • the multipactor discharge section 15 is formed in an annular shape so as to surround the central axis of the processing chamber 1, and the planar shape of the gap between the multipactor discharge section 15 when viewed from below the upper electrode 5 is a circular ring.
  • the multipactor discharge section 15 is arranged above the outer region of the substrate arrangement region (the diameter of the substrate W is 300 mm) in the lower electrode. That is, since the plasma intensity tends to be high directly below the multipactor discharge section 15, by moving the multipactor discharge section 15 away from directly above the substrate W, the uniformity of the plasma intensity on the substrate W can be increased. Can be done. Note that in this example, the multipactor discharge section 15 is arranged above the outer region of the mounting table 2.
  • the control device 200 processes computer-executable instructions that cause the plasma processing apparatus 100 to execute various processes such as film formation by ALD.
  • Control device 200 may be configured to control each element of plasma processing apparatus 100 to perform various steps. In one embodiment, part or all of the control device 200 may be included in the plasma processing apparatus 100.
  • Control device 200 may include a processing section, a storage section, and a communication interface. Control device 200 is realized by, for example, a computer.
  • the processing unit may be configured to read a program from the storage unit and perform various control operations by executing the read program. This program may be stored in the storage unit in advance, or may be obtained via a medium when necessary. The acquired program is stored in the storage unit, and is read from the storage unit and executed by the processing unit.
  • the medium may be any of a variety of computer readable storage media or may be a communications line connected to a communications interface.
  • the processing unit may be a CPU (Central Processing Unit).
  • the storage unit may include a RAM (Random Access Memory), a ROM (Read Only Memory), an HDD (Hard Disk Drive), an SSD (Solid State Drive), or a combination thereof.
  • the communication interface may communicate with the plasma processing apparatus 100 via a communication line such as a LAN (Local Area Network).
  • the plasma processing apparatus 100 includes the upper electrode 5, the lower electrode (mounting table 2), and the electromagnetic wave emitting section 7.
  • the upper electrode 5 includes a plurality of gas holes 14 and is provided so as to be able to discharge processing gas into the processing container 1 .
  • the lower electrode (mounting table 2) is provided within the processing container 1 so as to be able to hold the substrate.
  • FIG. 2 is a schematic cross-sectional view showing another example of the plasma processing apparatus 100 according to one embodiment.
  • the difference from the plasma processing apparatus 100 shown in FIG. 1 is the shape and position of the electromagnetic wave emitting section 7 and the multipactor discharge section 15. Since the other device configurations are the same, the shapes and positions of the electromagnetic wave emitting section 7 and the multipactor discharge section 15 will be explained.
  • the electromagnetic wave radiation section 7 is provided at the end point of the waveguide 9, has a lower portion protruding toward the inner circumference, and surrounds a notch of the upper electrode 5 provided on the outer circumference of the upper electrode 5 from the outer circumference.
  • the multipactor discharge section 15 is provided at a position in contact with the plasma generation space U, the upper electrode 5, and the electromagnetic wave emitting section 7, and is a gap (space) having an L-shaped cross section in the radial direction. That is, the multipactor discharge section 15 extends horizontally from the outer periphery of the multipactor discharge section 15 along the lower protrusion of the electromagnetic wave emitting section 7, bends vertically by 90 degrees along the upper corner of the protrusion, and generates plasma. It constitutes a gap facing space U.
  • the electromagnetic waves that have traveled radially and horizontally through the waveguide 9 hit the inner surface of the processing container 1, they travel downward, pass through the electromagnetic wave emitting section 7, and reach the inner tip surface and the inner end surface of the lower protrusion.
  • the plasma is emitted from the multipactor discharge unit 15 into the plasma generation space U, and travels horizontally toward the central axis of the processing container 1 .
  • FIG. 3(a) is an enlarged view of the multipactor discharge section 15 shown in FIG.
  • FIG. 3(b) is an enlarged view of the multipactor discharge section 15 shown in FIG.
  • the multipactor discharge section 15 in FIGS. 3(c) and 3(d) is an example of another variation of the multipactor discharge section 15 that may be provided in the plasma processing apparatus 100.
  • the multipactor discharge section 15 in FIG. 3(a) is formed at the lower outer peripheral corner of the upper electrode 5, the multipactor discharge section 15 in FIG. It differs in that it is formed at the peripheral corner.
  • the multipactor discharge part 15 in FIG. 3(c) is a notch formed on the side of the electromagnetic wave emitting part 7, and has a rectangular cross section in the radial direction, is formed all around the circumference, and is a gap facing the plasma generation space U. be.
  • the multipactor discharge section 15 in FIG. 3(d) has cutouts 15a and 15b formed at the lower outer circumferential corner of the upper electrode 5 and the lower inner circumferential corner of the opposing electromagnetic wave emitting section 7. It is a gap that has a rectangular cross section and is formed over the entire circumference and faces the plasma generation space U.
  • the gap in the multipactor discharge section 15 shown in FIGS. 3(a) to 3(d) be formed over the entire circumference. This is because the margin for plasma ignition increases and plasma can be formed uniformly in the circumferential direction. However, the gap between the multipactor discharge portions 15 does not need to be formed over the entire circumference.
  • cutouts (irregularities) for forming the multipactor discharge section 15 where the electric field is concentrated are provided on the electromagnetic wave emitting section 7 side, the corners and edges of the dielectric are likely to be damaged. Therefore, among the multipactor discharge sections 15 shown in FIGS. 3A to 3D, the configurations shown in FIGS. 3A and 3B, in which a notch is provided in the metal upper electrode 5, are more preferable. However, the configuration of the multipactor discharge section 15 shown in FIGS. 3(c) and 3(d) may also be adopted.
  • FIG. 4 is a diagram for explaining multipactor discharge.
  • a multipactor discharge section 15 When supplying electromagnetic waves with a high frequency such as a VHF band or a microwave band from the power source 11, it is possible to provide a multipactor discharge section 15 within the processing container 1. In the case of a high frequency of less than 30 MHz, the wavelength becomes long and it is necessary to increase the gap between the multipactor discharge parts 15 in order to cause a multipactor discharge. Therefore, it is difficult to provide this structure in the part of the upper electrode 5 that comes into contact with the plasma.
  • electromagnetic waves in the VHF band or microwave band are supplied from the power source 11, and plasma ignition can be promoted by the following structure of the multipactor discharge section 15.
  • a notch (groove) is provided at the lower outer peripheral corner of the upper electrode 5. Then, the distance between the opposing surfaces of the upper electrode 5 and the electromagnetic wave emitting section 7 (distance of the gap between the multipactor discharge sections 15) is set to 1 to 10 mm (approximately 1/300 of the wavelength of electromagnetic waves in vacuum) to create a multipactor generation resonance space. As a result, the structure is designed to promote plasma ignition.
  • VHF wave an electromagnetic wave in the VHF band
  • VHF wave an electromagnetic wave in the VHF band
  • the direction of the electric field E is from the electromagnetic wave emitting part 7 to the upper electrode 5, so that the electrons e are transferred from the upper electrode 5 to the electromagnetic wave emitting part. Accelerate towards 7.
  • the electrons collide with the side wall of the electromagnetic wave emitting section 7, as shown in FIG. 4(b), the electrons are emitted from the side wall of the electromagnetic wave emitting section 7 formed of a dielectric material such as alumina.
  • the emitted electrons can be accelerated. That is, if the period of the VHF wave is T, and the average time for electrons to reach the electromagnetic wave emitting part 7 from the upper electrode 5, or the average time for electrons to reach the upper electrode 5 from the electromagnetic wave emitting part 7, t0 , Multipactor discharge is promoted when T/2 ⁇ t 0 holds true.
  • the electrons emitted from the upper electrode 5 are directed toward the electromagnetic wave emitting section 7. It can be accelerated (FIGS. 4(d) and (e)). As the collision and acceleration of electrons occur repeatedly in this manner, the number of electrons increases to a predetermined number or more, and plasma ignition occurs, as shown in FIG. 4(f).
  • the characteristics of a multipactor discharge are that the electron collision gives more energy to the electrons emitted from the wall, accelerates the electrons, and causes them to collide with the opposing wall, resulting in even more electrons.
  • the point is to repeat the process of emitting .
  • VHF waves (30MHz to 300MHz) or microwaves (300MHz to 3THz), which have shorter wavelengths than high-frequency waves of less than 30MHz, it is possible to make the timing of electric field switching and the timing of electrons colliding with the wall almost the same. . This allows further energy to be given to the emitted electrons and the electrons to be accelerated.
  • the timing in which the VHF wave switches from plus to minus or from minus to plus at a period of 1/2 is the same as the timing at which electrons collide with the upper electrode 5 and the wall of the electromagnetic wave emitting section 7, as shown in FIG. Multipactor discharge is likely to occur if the distance D of the gap shown is designed.
  • the time T/2 can be calculated from 2.2 ⁇ 10 ⁇ 9 s, which is 1/2 period.
  • FIG. 5 is a diagram for explaining the aspect ratio of the multipactor discharge section 15 according to one embodiment.
  • FIG. 5(a) shows the case where the gap of the multipactor discharge section 15 is designed so that the aspect ratio (H/D) is 1 or more
  • FIG. 5(b) shows the case where the aspect ratio (H/D) is A case is shown in which the gap between the multipactor discharge parts 15 is designed so that the gap is less than 1.
  • the electric field E generated in the gap between the multipactor discharge parts 15 is directed in the lateral direction.
  • the electric field E is directed in the lateral direction.
  • the aspect ratio (H/D) is 1 or more, thereby increasing the number of electron collisions, stably igniting the plasma, and making the ignition timing faster.
  • the gap between the multipactor discharge portions 15 may be designed so that the aspect ratio (H/D) is 5 or less. If the aspect ratio is too large, the back of the gap of the multipactor discharge section 15 (the side opposite to the side opening into the plasma generation space) will be far from the plasma generation space U, and the electric field E at the back of the gap will not contribute to plasma generation. From the above, the aspect ratio (H/D) is preferably 1 or more and 5 or less, thereby stabilizing plasma ignition and efficiently diffusing electrons generated by multipactor discharge into plasma generation space U. It is possible to increase the plasma generation efficiency.
  • b is the radial distance from the central axis of the plasma processing apparatus 100 to the inner surface of the side wall of the processing container 1, and is 215 mm.
  • a is the radial distance from the central axis of the plasma processing apparatus 100 to the outer peripheral surface of the upper electrode 5, and is 175 mm.
  • is calculated to be 5.3 ⁇ .
  • the voltage applied to the alumina electromagnetic wave emitting section 7 is calculated to be 73V using equation (4).
  • the voltage V applied to the alumina electromagnetic wave emitting portion 7 is determined to be 73V, and W is 40 mm as shown in FIG. Therefore, it is calculated as 1830V/m using equation (5).
  • the vertical component of the electric flux density D vacuum ⁇ at the interface between the vacuum gap of the multipactor discharge section 15 and the wall of the electromagnetic wave emitting section 7 is equal to the electric flux density D Al2O3 ⁇ of alumina (electromagnetic wave emitting section 7). That is, according to Maxwell's law, the electric flux density can be expressed by an equation based on continuity in the vertical direction at the interface between the gap between the multipactor discharge section 15 and the alumina of the electromagnetic wave emitting section 7. Therefore, the following formula holds.
  • ⁇ vacuum E vacuum ⁇ ⁇ Al2O3 E Al2O3 ⁇
  • the dielectric constant ⁇ vacuum of the vacuum gap is equal to the dielectric constant ⁇ 0 of the vacuum, and E Al2O3 ⁇ is determined to be 1830 V/m according to equation (5). Further, ⁇ Al2O3 / ⁇ vacuum is 10. From the above, the electric field E vacuum ⁇ in the direction indicated by D in the gap of the multipactor discharge section 15 is calculated to be about 18300 V/m.
  • P is the power of the VHF wave, which was calculated as 1000W.
  • the electric field E p applied to the alumina of the electromagnetic wave emitting part 7 is calculated to be approximately 1300 V/m from equation (6), and the electric field in the direction indicated by D in the gap of the multipactor discharge part 15 E vacuum ⁇ is determined to be approximately 13000V/m.
  • the electric field E p applied to the alumina of the electromagnetic wave emitting section 7 is calculated from equation (6) to be approximately 2600 V/m, and the electric field E vacuum ⁇ in the direction indicated by D in the gap of the multipactor discharge section 15 is determined to be approximately 26000V/m.
  • Equation (7) which is a generalization of Equation (2), is shown below.
  • FIG. 7 shows the relationship between the frequency F of the VHF wave and the gap distance D when the VHF wave has a 3/8 cycle, a 1/2 cycle, and a 5/8 cycle.
  • the frequency F of the VHF wave is 200 MHz
  • the gap distance D of the multipactor discharge section 15 exceeds the range of 2.6 mm to 7.0 mm, the deceleration of electrons in each half cycle shown in FIG. 4 increases. It can be seen that this makes it difficult for resonance phenomena to occur, thereby making it difficult for multipactor discharge to occur.
  • the distance D of the gap is set to be the moving distance of electrons that move in a time of 1/2 period ⁇ 1/8 period of the electromagnetic wave and generate multipactor discharge in the gap.
  • the time for 1/8 cycle used here is a time set based on empirical values as an allowable time for generating multipactor discharge.
  • the plasma processing apparatus 100 that can stably ignite plasma.
  • the plasma processing apparatus is suitable for application to an ALD apparatus.
  • plasma is repeatedly turned on and off in a short period of time. For this reason, it is important to perform impedance matching at high speed and ignite plasma at high speed.
  • plasma processing apparatus 100 of the present disclosure plasma can be stably ignited in a short period of time, so that it is an optimal apparatus for an ALD apparatus.
  • the plasma processing apparatus according to the embodiment disclosed this time should be considered as an example in all respects and not as a limitation.
  • the embodiments can be modified and improved in various ways without departing from the scope and spirit of the appended claims.
  • the matters described in the plurality of embodiments described above may be configured in other ways without being inconsistent, and may be combined without being inconsistent.
  • Processing container 2 Mounting table 5 Upper electrode 7 Electromagnetic wave emitting section 11 Power supply 15 Multipactor discharge section 20 Exhaust device 100 Plasma processing device

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Abstract

内部にプラズマ生成空間が形成される処理容器と、プラズマを生成するための電磁波が印加される電極と、前記電極の外周に沿って設けられた導波路と、誘電体で形成され、前記プラズマ生成空間に前記電磁波を放射する電磁波放射部と、を有したプラズマ処理装置において、前記電極と前記電磁波放射部との間に形成された隙間であり、前記プラズマ生成空間に臨むマルチパクタ放電部を有するプラズマ処理装置が提供される。

Description

プラズマ処理装置
　本開示は、プラズマ処理装置に関する。
　例えば、特許文献１には、上部電極と下部電極と電磁波放射部とを備え、電磁波放射部は、上部電極及び下部電極の高さの間の高さに設けられ、処理容器の中心方向へ向けて開口するプラズマ処理装置が開示されている。
特開２０２１－９６９３４号公報
　本開示は、プラズマを安定して着火することができるプラズマ処理装置を提供する。
　本開示の一の態様によれば、内部にプラズマ生成空間が形成される処理容器と、プラズマを生成するための電磁波が印加される電極と、前記電極の外周に沿って設けられた導波路と、誘電体で形成され、前記プラズマ生成空間に前記電磁波を放射する電磁波放射部と、を有したプラズマ処理装置において、前記電極と前記電磁波放射部との間に形成された隙間であり、前記プラズマ生成空間に臨むマルチパクタ放電部を有するプラズマ処理装置が提供される。
　一の側面によれば、プラズマを安定して着火することができる。
一実施形態に係るプラズマ処理装置の一例を示す断面模式図。 一実施形態に係るプラズマ処理装置の他の一例を示す断面模式図。 一実施形態に係るマルチパクタ放電部の拡大図。 マルチパクタ放電を説明するための図。 一実施形態に係るマルチパクタ放電部の隙間のアスペクト比を説明するための図。 一実施形態に係るマルチパクタ放電部の隙間の距離と高周波の周波数の関係の一例を示す図。 一実施形態に係るマルチパクタ放電部の隙間の距離と高周波の周波数の関係の一例を示す図。
　以下、図面を参照して本開示を実施するための形態について説明する。各図面において、同一構成部分には同一符号を付し、重複した説明を省略する場合がある。
　本明細書において平行、直角、直交、水平、垂直、上下、左右などの方向には、実施形態の効果を損なわない程度のずれが許容される。角部の形状は、直角に限られず、弓状に丸みを帯びてもよい。平行、直角、直交、水平、垂直、円、一致には、略平行、略直角、略直交、略水平、略垂直、略円、略一致が含まれてもよい。
　［プラズマ処理装置］
　ＡＬＤ（Ａｔｏｍｉｃ　Ｌａｙｅｒ　Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）装置による成膜では、短時間でプラズマのオン及びオフを繰り返し制御する。このために高速にインピーダンス整合を行い、高速にプラズマを着火させることが重要になっている。一方、ＡＬＤ装置において比較的低いパワーの高周波の供給及び負性ガスの使用が必要なプロセスでは、プラズマの着火が安定しない場合がある。
　そこで、本開示の一実施形態に係るプラズマ処理装置では、ＡＬＤ装置において安定したプラズマの着火を実現するために、マルチパクタ放電を用いたプラズマの着火を提案する。以下、本開示の一実施形態に係るプラズマ処理装置１００の構成について、図１を参照しながら説明する。図１は、一実施形態に係るプラズマ処理装置１００の一例を示す断面模式図である。
　プラズマ処理装置１００は、上部に開口を有する処理容器１と、処理容器１の上部開口を封止する蓋１Ｌと、処理容器１内に配置された載置台２（下部電極、ステージ）と、載置台２の上方に位置するプラズマ発生源とを有する。
　プラズマ発生源は、載置台２に対向して配置された上部電極５と、電磁波放射口を有する電磁波放射部７を有する。処理容器１内の上部電極５と載置台２の間にはプラズマ生成空間Ｕが形成されている。電磁波放射部７は、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）等の誘電体から構成されている。電磁波放射部７の下部から電磁波ＲＦが放射される。電磁波放射部７は、電磁波の導入部であり、処理容器１の内壁面上には、環状上面を有する段差が形成されている。電磁波放射部７は、この段差に係合し、この上面上に配置され、この上面によって支持されている。電磁波放射部７は、処理容器１の全周に沿って嵌め込まれている。つまり、電磁波ＲＦは、処理容器１の周方向に配置された電磁波放射部７から下方に全周に亘って放射される。
　載置台２上には、基板Ｗが配置される。基板Ｗとしては、プラズマ処理が施されるものであれば、特に限定されないが、半導体基板、ガラスやアルミナなどの絶縁体基板、又は、金属基板などが挙げられる。
　処理容器１の内部のガスは、ガス排気口１９を介して、排気装置２０によって外部に排気することができる。処理容器１の内部には、ガス供給源１８から、供給管１７を介して、処理ガスが供給される。具体的には、上部電極５は、その内部空間のガス拡散室１６を有するシャワー構造を有しており、供給管１７は、蓋１Ｌを貫通し、導波路９を横切り、ガス拡散室１６内に連通し接続されている。本例の上部電極５は、金属製のシャワープレート構造を有しており、処理ガスが導入されるガス拡散室１６と、ガス拡散室１６と処理容器１内の空間とを連通させる複数のガス孔１４とを有する。上部電極５は、下面に凹部を備えた上部金属部材５Ａと、複数のガス孔１４を備えた下部金属部材５Ｂとからなり、これらの金属部材間の凹部の位置にガス拡散室１６が形成されている。ガス拡散室１６内に導入された処理ガスは、上部電極５の下部領域に設けられた複数のガス孔１４を介して、処理容器１の内部に供給される。上部電極５は、プラズマを生成するための電磁波が印加される電極の一例である。
　上部電極５と、蓋１Ｌの下面及び処理容器１の内側面との間には、上部電極５の外周に沿って導波路９が形成されている。電源１１から第１整合器１０及び電力伝送線路８を介して、上部電極５の上部に電磁波の電力が供給される。供給された電磁波は、導波路９を通って放射状に水平方向に進行する。この電磁波は、処理容器１の内側面に当たると、下方に進行し、電磁波放射部７内を通って、その下面及び後述するマルチパクタ放電部１５からプラズマ生成空間Ｕに放出される。電磁波は、ＶＨＦ帯またはマイクロ波帯の電磁波であってよい。
　処理ガスが処理容器１内に導入され、排気装置２０によって、プラズマが発生可能な圧力まで処理容器１の内部が減圧された状態で、電磁波が処理容器１の内部に導入されると、上部電極５の下方のプラズマ生成空間Ｕにプラズマが発生する。プラズマ生成空間Ｕは、上部電極５の直下に位置することになる。なお、電源１１の一方端は、第１整合器１０に接続され、他方端はグランドに接続されている。また、電力伝送線路８としては、ＶＨＦ帯等の電磁波を伝送可能なものであればよく、電磁波伝送部品としては、導波管の他、同軸ケーブルを用いることも可能である。なお、載置台２は、本例では、グランドに電気的に接続されているが、高周波や電磁波等を印加することも可能である。
　処理容器１において鉛直方向に延びた中心軸をＺ軸とし、Ｚ軸に垂直な軸をＸ軸とし、Ｚ軸及びＸ軸の双方に垂直な軸をＹ軸とする。この場合、ＸＹ平面は水平面を構成する。電磁波放射部７の中心軸は、処理容器１の鉛直方向の中心軸（Ｚ軸）に一致している。
　上部電極５を上方から見た平面形状は円形であり、その中心の位置は、処理容器１の鉛直方向の中心軸（Ｚ軸）の位置に一致している。上部電極５の下面の外周角部には、全周に亘って上部電極５と電磁波放射部７との間に、上部電極５を切り欠いて形成された隙間（空間）がある。当該隙間は、上部電極５と電磁波放射部７との間に形成され、プラズマ生成空間Ｕに臨むマルチパクタ放電部１５の一例である。
　電磁波放射部７は、導波路９の終点に設けられ、下部が内周側に出っ張り、上部電極５の外周に設けられた上部電極５の切り欠きを外周から囲む。これにより、マルチパクタ放電部１５は、プラズマ生成空間Ｕと上部電極５と電磁波放射部７とに接する位置に設けられる。マルチパクタ放電部１５の隙間の径方向の断面は矩形状である。
　マルチパクタ放電部１５は、処理容器１の中心軸を囲むように、環状に形成されており、上部電極５の下方から見たマルチパクタ放電部１５の隙間の平面形状は、円環である。
　マルチパクタ放電部１５は、下部電極における基板配置領域（基板Ｗの直径３００ｍｍ）の外側領域の上方に配置されている。すなわち、マルチパクタ放電部１５の直下においては、プラズマ強度が高くなる傾向があるため、マルチパクタ放電部１５の位置を、基板Ｗの直上から遠ざけることで、基板Ｗ上のプラズマ強度の均一性を高めることができる。なお、本例では、マルチパクタ放電部１５は、載置台２の外側領域の上方に配置されている。
　制御装置２００は、ＡＬＤ法による成膜等の種々の工程をプラズマ処理装置１００に実行させるコンピュータが実行可能な命令を処理する。制御装置２００は、種々の工程を実行するようにプラズマ処理装置１００の各要素を制御するように構成され得る。一実施形態において、制御装置２００の一部又は全てがプラズマ処理装置１００に含まれてもよい。制御装置２００は、処理部、記憶部及び通信インターフェースを含んでもよい。制御装置２００は、例えばコンピュータにより実現される。処理部は、記憶部からプログラムを読み出し、読み出されたプログラムを実行することにより種々の制御動作を行うように構成され得る。このプログラムは、予め記憶部に格納されていてもよく、必要なときに、媒体を介して取得されてもよい。取得されたプログラムは、記憶部に格納され、処理部によって記憶部から読み出されて実行される。媒体は、コンピュータに読み取り可能な種々の記憶媒体であってもよく、通信インターフェースに接続されている通信回線であってもよい。処理部は、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ　Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　Ｕｎｉｔ）であってもよい。記憶部は、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ　Ａｃｃｅｓｓ　Ｍｅｍｏｒｙ）、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ　Ｏｎｌｙ　Ｍｅｍｏｒｙ）、ＨＤＤ（Ｈａｒｄ　Ｄｉｓｋ　Ｄｒｉｖｅ）、ＳＳＤ（Ｓｏｌｉｄ　Ｓｔａｔｅ　Ｄｒｉｖｅ）、又はこれらの組み合わせを含んでもよい。通信インターフェースは、ＬＡＮ（Ｌｏｃａｌ　Ａｒｅａ　Ｎｅｔｗｏｒｋ）等の通信回線を介してプラズマ処理装置１００との間で通信を行ってもよい。
　以上、説明したように、実施形態に係るプラズマ処理装置１００は、上部電極５と、下部電極（載置台２）と、電磁波放射部７とを有する。上部電極５は、複数のガス孔１４を備えており、処理容器１内へ処理ガスを吐出可能に設けられている。下部電極（載置台２）は、処理容器１内において基板を保持可能に設けられている。上部電極５の外周角部には切り欠き（溝）があり、電磁波放射部７との間にマルチパクタ放電部１５の隙間を構成する。
　図２は、一実施形態に係るプラズマ処理装置１００の他の一例を示す断面模式図である。図１に示すプラズマ処理装置１００と異なる点は、電磁波放射部７とマルチパクタ放電部１５の形状と位置である。その他の装置構成は同一であるため、電磁波放射部７とマルチパクタ放電部１５の形状と位置について説明する。
　電磁波放射部７は、導波路９の終点に設けられ、下部が内周側に出っ張り、上部電極５の外周に設けられた上部電極５の切り欠きを外周から囲む。マルチパクタ放電部１５は、プラズマ生成空間Ｕと上部電極５と電磁波放射部７とに接する位置に設けられ、径方向の断面がＬ字状の隙間（空間）である。すなわち、マルチパクタ放電部１５は、電磁波放射部７の下部の突出部に沿ってマルチパクタ放電部１５の外周から水平方向に伸び、突出部の上部の角部に沿って９０°垂直に曲がってプラズマ生成空間Ｕへ臨む隙間を構成している。
　導波路９を通って放射状に水平方向に進行した電磁波は、処理容器１の内側面に当たると、下方に進行し、電磁波放射部７内を通って、その下部の突出部の内側の先端面及びマルチパクタ放電部１５からプラズマ生成空間Ｕに放出され、処理容器１の中心軸に向けて水平方向に進行する。
　［マルチパクタ放電部］
　マルチパクタ放電部１５のバリエーションについて、図３を参照しながら説明する。図３（ａ）は、図１に示すマルチパクタ放電部１５の拡大図である。図３（ｂ）は、図２に示すマルチパクタ放電部１５の拡大図である。図３（ｃ）及び（ｄ）のマルチパクタ放電部１５は、プラズマ処理装置１００に設けられ得るマルチパクタ放電部１５の他のバリエーションの例である。
　図３（ａ）のマルチパクタ放電部１５が上部電極５の下部の外周角部に形成されているのに対して、図３（ｃ）のマルチパクタ放電部１５は、電磁波放射部７の下部の内周角部に形成されている点で異なる。図３（ｃ）のマルチパクタ放電部１５は、電磁波放射部７側に形成された切り欠きであり、径方向の断面が矩形状で全周に亘って形成され、プラズマ生成空間Ｕに臨む隙間である。図３（ｄ）のマルチパクタ放電部１５は、上部電極５の下部の外周角部と、対向する電磁波放射部７の下部の内周角部とに形成された切り欠き１５ａ、１５ｂであり、径方向の断面が矩形状で全周に亘って形成され、プラズマ生成空間Ｕに臨む隙間である。
　図３（ａ）～（ｄ）に示すマルチパクタ放電部１５の隙間は、全周に亘って形成されている方が好ましい。プラズマ着火のマージンが増え、かつ、周方向のプラズマを均一に形成できるためである。ただし、マルチパクタ放電部１５の隙間は、全周に亘って形成されていなくてもよい。
　電界が集中するマルチパクタ放電部１５を形成するための切り欠き（凹凸）を電磁波放射部７側に設けると、誘電体の角部やエッジ部でダメージを受け易い。このため、図３（ａ）～（ｄ）に示すマルチパクタ放電部１５のうち、金属製の上部電極５に切り欠きを設けた図３（ａ）及び（ｂ）の構成がより好ましい。ただし、図３（ｃ）及び（ｄ）のマルチパクタ放電部１５の構成を採用することもできる。
　図４は、マルチパクタ放電を説明するための図である。電源１１からＶＨＦ帯又はマイクロ波帯のような高い周波数を持つ電磁波を供給するとき、処理容器１内にマルチパクタ放電部１５を設けることは可能である。３０ＭＨｚ未満の高周波の場合、波長が長くなり、マルチパクタ放電を起こすためにはマルチパクタ放電部１５の隙間を大きくする必要があるため、この構造を上部電極５のプラズマと接する部分に設けることは難しい。本実施形態では、電源１１からＶＨＦ帯又はマイクロ波帯の電磁波を供給し、マルチパクタ放電部１５の以下の構造によりプラズマ着火を促進することができる。
　本開示のプラズマ処理装置１００では、上部電極５の下部の外周角部に切り欠き（溝）を設ける。そして、上部電極５と電磁波放射部７の対向面間の距離（マルチパクタ放電部１５の隙間の距離）をマルチパクタ発生共振空間となるように１～１０ｍｍ（電磁波の真空における波長の１／３００程度）として、プラズマ着火を促進する構造とする。
　電源１１から例えばＶＨＦ帯の電磁波（以下、「ＶＨＦ波」ともいう）が上部電極５に供給されると、マルチパクタ放電部１５に発生する電界Ｅによって電子が加速する。図４（ａ）に示すように、ＶＨＦ波がマイナスの周期では、電界Ｅの向きは電磁波放射部７から上部電極５へ向かう方向であり、これにより、電子ｅは上部電極５から電磁波放射部７へ向かって加速する。加速された電子が電磁波放射部７の側壁に衝突すると、図４（ｂ）に示すように、アルミナ等の誘電体から形成されている電磁波放射部７の側壁から電子が放出される。
　電界Ｅの向きの切り替えタイミングと、電子が壁に衝突するタイミングと、がほぼ同じとき、出てきた電子を加速させることができる。つまり、ＶＨＦ波の周期をＴ、電子が上部電極５から電磁波放射部７に到達するまでの平均時間、または、電磁波放射部７から上部電極５に到達するまでの平均時間をｔ０とすると，Ｔ／２≒ｔ０が成り立つときに，マルチパクタ放電が促進される。
　図４（ｂ）の電子が電磁波放射部７の壁に衝突するタイミングと、ＶＨＦ波がマイナスからプラスの周期に切り替わるタイミングがほぼ同じ場合、図４（ｃ）に示すように、電界Ｅの向きが上部電極５から電磁波放射部７へ向かう方向に切り替わる。これにより、図４（ｃ）に示すように、電磁波放射部７から放出された電子を上部電極５へ向かって加速させることができる。
　同様にして、電子が上部電極５の壁に衝突するタイミングと、ＶＨＦ波がプラスからマイナスの周期に切り替わるタイミングとがほぼ同じ場合、上部電極５から放出された電子を電磁波放射部７へ向かって加速させることができる（図４（ｄ）及び（ｅ））。このようにして電子の衝突と加速が繰り返し起こることで、図４（ｆ）に示すように、電子が所定数以上に増え、プラズマ着火が生じる。
　パッシェンの法則による放電と比較して、マルチパクタ放電の特徴は、電子の衝突により壁から放出された電子に対して更にエネルギーを与えて電子を加速させ、対向する壁へ衝突させて更に多くの電子を放出させることを繰り返す点である。３０ＭＨｚ未満の高周波よりも波長が短いＶＨＦ波（３０ＭＨｚ～３００ＭＨｚ）又はマイクロ波（３００ＭＨｚ～３ＴＨｚ）を使用することで、電界の切り替えタイミングと電子が壁に衝突するタイミングをほぼ同じにすることができる。これにより、放出された電子に対して更にエネルギーを与えて電子を加速することができる。
　以上から、ＶＨＦ波が１／２の周期でプラスからマイナス、又はマイナスからプラスへ切り替わるタイミングと、電子が上部電極５や電磁波放射部７の壁に衝突するタイミングが同じになるように図３に示す隙間の距離Ｄを設計すればマルチパクタ放電が起きやすい。
　ＶＨＦ波を上部電極５に供給したとき、マルチパクタ放電部１５の電界中での時間ｔにおける電子の平均速さは、式（１）により示される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
  
　式（１）のｅは素電荷、Ｅ０は電界の振幅、ｍｅは電子の質量、ωは角周波数である。例えば２２０ＭＨｚのＶＨＦ波を供給した場合、ω＝２πＦから角周波数ωが算出される。
　周波数Ｆが２２０ＭＨｚにおいて１／２周期である２．２×１０－９ｓから時間Ｔ／２を算出できる。１／２周期における電子の最大移動距離は、上部電極５に印加される標準電界Ｅ０（電界の振幅）に例えば２×１０４Ｖ／ｍを代入し、ｅは１．６０×１０－１９（Ｃ）、ｍｅは９．１×１０－３１（ｋｇ）、ω＝２πＦから式（２）により３．８ｍｍと算出される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
  
　これにより、上部電極５と電磁波放射部７の対向面間の距離Ｄが３．８ｍｍの隙間があると、マルチパクタ放電を行う可能性が高まる。
　［アスペクト比］
　また、図３に示す距離Ｄ（マルチパクタ放電部１５の隙間の距離）に対する深さＨを示すアスペクト比は、１以上が好ましい。図５は、一実施形態に係るマルチパクタ放電部１５のアスペクト比を説明するための図である。図５（ａ）は、アスペクト比（Ｈ／Ｄ）が１以上になるように、マルチパクタ放電部１５の隙間を設計する場合を示し、図５（ｂ）は、アスペクト比（Ｈ／Ｄ）が１未満になるように、マルチパクタ放電部１５の隙間を設計する場合を示す。
　図４に示した電子の衝突及び電子の放出の観点からマルチパクタ放電部１５の隙間に生じる電界Ｅは、横方向に向かうことが好ましい。図５（ａ）に示すアスペクト比が１以上の場合、電界Ｅは、横方向に向かう。電界Ｅが上部電極５と電磁波放射部７の対向面へ一方向に一様に向かうことにより、最適なマルチパクタ放電に対応する隙間の距離Ｄを定義でき、電子の衝突確率を高めることができる。これに対して、図５（ｂ）に示すアスペクト比が１未満の場合、電界Ｅの一部は、電子が放出された壁の近くの側壁に向かって曲がり、電子も電界Ｅの向かう方向に曲がるため、電子の衝突が少なくなり、マルチパクタ放電が生じ難くなる。以上から、アスペクト比（Ｈ／Ｄ）は１以上が好ましく、これにより、電子の衝突が多くなりプラズマを安定して着火させ、更に着火タイミングをより早くすることができる。
　また、アスペクト比（Ｈ／Ｄ）が５以下になるように、マルチパクタ放電部１５の隙間を設計してもよい。アスペクト比が大きすぎると、マルチパクタ放電部１５の隙間の奥（プラズマ生成空間に開口する側の反対側）がプラズマ生成空間Ｕから遠くなり、隙間の奥の電界Ｅがプラズマの生成に寄与しない。以上から、アスペクト比（Ｈ／Ｄ）は１以上であって５以下が好ましく、これにより、プラズマ着火を安定させ、かつ、マルチパクタ放電で生成した電子をプラズマ生成空間Ｕへ効率よく拡散することができ、プラズマの生成効率を高めることができる。
　［マルチパクタ放電部の距離と高周波の周波数の関係］
　マルチパクタ放電部１５の距離ＤとＶＨＦ波の周波数Ｆとの関係について説明する。図１に示す金属のシャワー構造を有する上部電極５と誘電体（アルミナ）から成る電磁波放射部７の構造体を同心型のコンデンサーと見なす。電源１１から上部電極５にＶＨＦ波を供給したとき、周波数が２２０ＭＨｚにおける電磁波放射部７の特性インピーダンスの大きさは、式（３）により算出される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
  
　図１に示すように、ｂはプラズマ処理装置１００の中心軸から処理容器１の側壁の内面までの径方向の距離であり、２１５ｍｍである。ａはプラズマ処理装置１００の中心軸から上部電極５の外周面までの径方向の距離であり、１７５ｍｍである。
　周波数Ｆが２２０×１０６Ｈｚのとき、ωは、２π×２２０×１０６である。真空の誘電率をε０、アルミナの比誘電率をεｒとし、電磁波放射部７の部分の誘電率εは、ε０×εｒ＝８．８×１０－１２×１０で算出される。１は図１に示す電磁波放射部７の高さであり、５×１０－２ｍｍである。
　以上を式（３）に代入すると、特性インピーダンス｜Ｚｃ｜は５．３Ωと算出される。これにより、アルミナの電磁波放射部７に印加される電圧は式（４）により７３Ｖと算出される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
  
　ＰはＶＨＦ波のパワーであり、ここでは１０００Ｗに設定される。アルミナの電磁波放射部７にかかる電界Ｅは、マルチパクタ放電部１５の隙間のＤで示す方向の電界ＥＡｌ２Ｏ３⊥であり、Ｅ＝ＥＡｌ２Ｏ３⊥＝Ｖ／Ｗで示される。式（４）によりアルミナの電磁波放射部７に印加される電圧Ｖは７３Ｖと求められ、Ｗは図１に示すように４０ｍｍである。よって、式（５）により１８３０Ｖ／ｍと算出される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000005
  
　マルチパクタ放電部１５の真空の隙間と電磁波放射部７の壁との境界面における電束密度の垂直成分Ｄｖａｃｕｕｍ⊥はアルミナ（電磁波放射部７）の電束密度ＤＡｌ２Ｏ３⊥と等しい。すなわち、マクスウェルの法則により、マルチパクタ放電部１５の隙間と電磁波放射部７のアルミナの境界面において垂直方向の連続性により電束密度は等式で表せる。よって、次式が成り立つ。
　εｖａｃｕｕｍＥｖａｃｕｕｍ⊥＝εＡｌ２Ｏ３ＥＡｌ２Ｏ３⊥
　真空の隙間の誘電率εｖａｃｕｕｍは、真空の誘電率ε０に等しく、ＥＡｌ２Ｏ３⊥は式（５）により１８３０Ｖ／ｍと求められている。また、εＡｌ２Ｏ３／εｖａｃｕｕｍは１０である。以上から、マルチパクタ放電部１５の隙間のＤで示す方向の電界Ｅｖａｃｕｕｍ⊥は、約１８３００Ｖ／ｍと算出される。
　ＰはＶＨＦ波のパワーであり、１０００Ｗとして計算した。これに対して、Ｐを５００Ｗとしたとき、式（６）から電磁波放射部７のアルミナにかかる電界Ｅｐは約１３００Ｖ／ｍと算出され、マルチパクタ放電部１５の隙間のＤで示す方向の電界Ｅｖａｃｕｕｍ⊥は、約１３０００Ｖ／ｍと求められる。また、Ｐを２０００Ｗとしたとき、式（６）から電磁波放射部７のアルミナにかかる電界Ｅｐは約２６００Ｖ／ｍと算出され、マルチパクタ放電部１５の隙間のＤで示す方向の電界Ｅｖａｃｕｕｍ⊥は、約２６０００Ｖ／ｍと求められる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000006
  
　式（２）を一般化した式（７）を以下に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000007
  
　両辺に対数を取ると、次のように展開することができ、式（８）を得る。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000008
  
　式（８）から、ｙ＝ｌｎ（Ｄ）、ｘ＝ｌｎ（ω）とおくと、以下の式（９）を得る。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000009
  
　これにより、図６に示すように、マルチパクタ放電部１５の最適な隙間の距離Ｄの対数（縦軸）は、電源１１から供給される電磁波の周波数をＦとしたときの周波数Ｆの対数（横軸）と１次関数の関係にあることが分かる。
　式（９）から、ＶＨＦ波のパワーＰを５００Ｗ～２０００Ｗに変化させたとき、ＶＨＦ波の周波数Ｆを２００ＭＨｚとすると、ＶＨＦ波の３／８周期（＝１／２周期－１／８周期）では隙間の距離Ｄは２．６ｍｍとなる。また、ＶＨＦ波の１／２周期では隙間の距離Ｄは４．３ｍｍとなる。また、ＶＨＦ波の５／８周期（＝１／２周期＋１／８周期）では隙間の距離Ｄは７．０ｍｍとなる。
　図７に、ＶＨＦ波の３／８周期、１／２周期、５／８周期のときのＶＨＦ波の周波数Ｆと隙間の距離Ｄとの関係を示す。ＶＨＦ波の周波数Ｆを２００ＭＨｚとしたとき、マルチパクタ放電部１５の隙間の距離Ｄが２．６ｍｍ～７．０ｍｍの範囲を超えると、図４に示した半周期毎の電子の減速が大きくなる。これにより、共振現象が起こりにくくなるためにマルチパクタ放電が起きにくくなることがわかる。
　よって、隙間の距離Ｄは、電磁波の１／２周期分±１／８周期分の時間により移動する電子であって、隙間にマルチパクタ放電を発生させる電子の移動距離になるように設定される。なお、ここで用いる１／８周期分の時間は、マルチパクタ放電を発生させる許容時間として経験値から設定した時間である。
　以上に説明したように、本実施形態によれば、プラズマを安定して着火することができるプラズマ処理装置１００を提供することができる。
　プラズマ処理装置は、ＡＬＤ装置に適用すると好適である。ＡＬＤ装置では、短時間でプラズマのオン及びオフを繰り返し制御する。このために高速にインピーダンス整合を行い、高速にプラズマを着火させることが重要になっている。この点、本開示のプラズマ処理装置１００によれば、短時間でプラズマを安定して着火することができるため、ＡＬＤ装置に最適な装置である。
　今回開示された実施形態に係るプラズマ処理装置は、すべての点において例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。実施形態は、添付の請求の範囲及びその主旨を逸脱することなく、様々な形態で変形及び改良が可能である。上記複数の実施形態に記載された事項は、矛盾しない範囲で他の構成も取り得ることができ、また、矛盾しない範囲で組み合わせることができる。
　本願は、日本特許庁に２０２２年６月２０日に出願された基礎出願２０２２－０９８８２７号の優先権を主張するものであり、その全内容を参照によりここに援用する。
１　　　　処理容器
２　　　　載置台
５　　　　上部電極
７　　　　電磁波放射部
１１　　　電源
１５　　　マルチパクタ放電部
２０　　　排気装置
１００　　プラズマ処理装置

Claims (10)

  1. 　内部にプラズマ生成空間が形成される処理容器と、
    　プラズマを生成するための電磁波が印加される電極と、
    　前記電極の外周に沿って設けられた導波路と、
    　誘電体で形成され、前記プラズマ生成空間に前記電磁波を放射する電磁波放射部と、
    　前記電極と前記電磁波放射部との間に形成された隙間であり、前記プラズマ生成空間に臨むマルチパクタ放電部と、を有するプラズマ処理装置。
  2. 　前記マルチパクタ放電部は、
    　前記電極と前記電磁波放射部との間に、前記電極又は前記電磁波放射部の少なくともいずれかを切り欠いて形成される、
    　請求項１に記載のプラズマ処理装置。
  3. 　前記電極に電磁波の電力を供給する電源を有し、
    　前記電極と前記電磁波放射部との対向面の前記隙間の距離をＤとし、前記電源から供給される電磁波の周波数をＦとしたとき、前記隙間の距離Ｄの対数と、前記電磁波の周波数Ｆの対数とは、１次関数の関係にある、
    　請求項１又は請求項２に記載のプラズマ処理装置。
  4. 　前記隙間の距離Ｄは、前記電磁波の１／２周期分±１／８周期分の時間により移動する電子であって、前記隙間にマルチパクタ放電を発生させる電子の移動距離である、
    　請求項３に記載のプラズマ処理装置。
  5. 　前記マルチパクタ放電部の隙間のアスペクト比は１以上である、
    　請求項１又は請求項２に記載のプラズマ処理装置。
  6. 　前記マルチパクタ放電部の隙間のアスペクト比は５以下である、
    　請求項５に記載のプラズマ処理装置。
  7. 　前記マルチパクタ放電部は、前記電極を切り欠いて形成され、前記電極の全周に亘って形成されている、
    　請求項２に記載のプラズマ処理装置。
  8. 　前記電磁波放射部は、前記導波路の終点に設けられ、前記電極の外周に設けられた前記電極の切り欠きを外周から囲む、
    　請求項７に記載のプラズマ処理装置。
  9. 　前記電磁波は、ＶＨＦ帯またはマイクロ波帯である、
    　請求項１又は請求項２に記載のプラズマ処理装置。
  10. 　前記プラズマ処理装置は、ＡＬＤ装置である、
    　請求項１又は請求項２に記載のプラズマ処理装置。
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JP2021096934A (ja) * 2019-12-16 2021-06-24 東京エレクトロン株式会社 プラズマ処理装置及びプラズマ処理方法
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