JP7058485B2 - プラズマ処理装置 - Google Patents

Description

本発明は、プラズマ処理装置に関する。

プラズマ処理装置の天井部に複数のガス供給孔を設け、ガス供給源から供給されたガスを、複数のガス供給孔からプラズマ処理装置の内部にシャワー状に供給することが行われている（例えば、特許文献１～３を参照）。

特開２００９－２２８０５４号公報 特開２０１６－１１９３２５号公報 特開２００７－２２１１１６号公報

マイクロ波プラズマ処理装置では、マイクロ波が供給されるチャンバの天井部の表面（内壁面）にマイクロ波の表面波が伝播する。このため、マイクロ波プラズマ処理装置では、例えばＣＣＰ（Capacitively Coupled Plasma）等の平行平板型のプラズマ処理装置と比べて、天井部の表面を伝播するマイクロ波の表面波によって天井部の表面の電界強度は高くなる。このマイクロ波の高い電界強度のため、天井部の表面に開口するガス供給孔にて放電が生じ易い。このため、ガス供給孔でアーク放電（異常放電）が発生し、ガス供給孔を形成する部材が溶け、ガス供給孔が閉塞する場合がある。

これに対して、ガス供給孔にポーラスの誘電体を埋め込むことで、ポーラス部分にガスを通しながら、ガス供給孔へ侵入するマイクロ波の表面波による異常放電の発生を防止することが考えられる。しかしながら、この場合、ガス供給孔に埋め込むポーラスの誘電体が必要であり部品点数が増える。また、製造時において、ポーラスの誘電体材料をガス供給孔に流し込み、天板と接合及び焼成してポーラスの誘電体材料をガス供給孔に接着する工程が増える。

上記課題に対して、一側面では、本発明は、ガス供給孔の形状を適正化し、ガス供給孔にてマイクロ波の表面波により異常放電が生じることを防止することを目的とする。

上記課題を解決するために、一の態様によれば、処理容器の天井部に配置され、ガスからプラズマを生成するためのマイクロ波を該処理容器の内部に導入するマイクロ波導入モジュールと、前記処理容器の天井部に形成され、ガスをプラズマ処理空間に導入する複数のガス供給孔と、を有するマイクロ波プラズマ処理装置であって、前記複数のガス供給孔のそれぞれは、前記ガス供給孔の細孔から拡大し、前記プラズマ処理空間側に開口した開口部を備え、前記処理容器の前記天井部と水平な底部を有した空洞部を有し、前記空洞部のプラズマ処理空間側の直径は３ｍｍ以上であって、かつ、プラズマ中のマイクロ波の表面波波長の１／８以下であり、前記処理容器の前記天井部と少なくとも前記空洞部の側壁は、絶縁性材料により被覆され、前記空洞部の前記底部は、前記絶縁性材料により被覆されておらず前記空洞部を構成する金属が露出しており、前記空洞部の前記側壁に被覆された前記絶縁性材料の厚さは、前記処理容器の前記天井部に被覆された前記絶縁性材料よりも薄い、プラズマ処理装置が提供される。

一の側面によれば、ガス供給孔の形状を適正化し、ガス供給孔にてマイクロ波の表面波により異常放電が生じることを防止することができる。

一実施形態に係るマイクロ波プラズマ処理装置の縦断面の一例を示す図。 一実施形態に係るガス供給孔の一例を示す図。 一実施形態に係るガス供給孔の開口部の一例を示す図。 一実施形態に係る誘電体窓部の一例を示す図。 一実施形態に係る空洞部内部のガスの流れを説明するための図。 変形例に係る空洞部内部のガスの流れのシミュレーション結果の一例を示す図。 ガス供給孔の形状と電磁界シミュレーション結果の一例を示す図。 変形例に係る空洞部の底部の角度とガスの滞留について説明するための図。 変形例に係る空洞部の一例を示す図。

以下、本発明を実施するための形態について図面を参照して説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の構成については、同一の符号を付することにより重複した説明を省く。

［マイクロ波プラズマ処理装置］
図１は、本発明の一実施形態に係るマイクロ波プラズマ処理装置１００の断面図の一例を示す。マイクロ波プラズマ処理装置１００は、ウェハＷを収容するチャンバ（処理容器）１を有する。マイクロ波プラズマ処理装置１００は、マイクロ波によってチャンバ１側の表面に形成される表面波プラズマにより、半導体ウェハＷ（以下、「ウェハＷ」と称呼する）に対して所定のプラズマ処理を行うプラズマ処理装置の一例である。所定のプラズマ処理の一例としては、成膜処理またはエッチング処理が例示される。

マイクロ波プラズマ処理装置１００は、チャンバ１の天井部に配置され、ガスからプラズマを生成するためのマイクロ波をチャンバ１の内部に導入するマイクロ波導入モジュールと、チャンバ１の天井部に形成され、ガスをプラズマ処理空間に導入する複数のガス供給孔とを有する。以下、本実施形態にかかるマイクロ波プラズマ処理装置１００の構成の詳細について説明する。

チャンバ１は、気密に構成されたアルミニウムまたはステンレス鋼等の金属材料からなる略円筒状の処理容器であり、接地されている。本体部１０は、チャンバ１の天井部を構成する天板である。チャンバ１の上部と本体部１０との接触面に設けられた支持リング１２９により、チャンバ１内は気密にシールされている。本体部１０は、金属から構成されている。

マイクロ波プラズマ源２は、マイクロ波出力部３０とマイクロ波伝送部４０とマイクロ波放射部材５０とを有する。マイクロ波プラズマ源２は、チャンバ１の天井部（天板）の内壁に形成された誘電体窓部１ａからチャンバ１の内部に臨むように設けられている。マイクロ波出力部３０は、複数経路に分配してマイクロ波を出力する。マイクロ波プラズマ源２から誘電体窓部１ａを通ってチャンバ１内にマイクロ波が導入されると、チャンバ１内にて表面波プラズマが形成される。

チャンバ１内にはウェハＷを載置する載置台１１が設けられている。載置台１１は、チャンバ１の底部中央に絶縁部材１２ａを介して立設された筒状の支持部材１２により支持されている。載置台１１および支持部材１２を構成する材料としては、表面をアルマイト処理（陽極酸化処理）したアルミニウム等の金属や内部に高周波用の電極を有した絶縁部材（セラミックス等）が例示される。載置台１１には、ウェハＷを静電吸着するための静電チャック、温度制御機構、ウェハＷの裏面に熱伝達用のガスを供給するガス流路等が設けられてもよい。

載置台１１には、整合器１３を介して高周波バイアス電源１４が電気的に接続されている。高周波バイアス電源１４から載置台１１に高周波電力が供給されることにより、ウェハＷ側にプラズマ中のイオンが引き込まれる。なお、高周波バイアス電源１４はプラズマ処理の特性によっては設けなくてもよい。

チャンバ１の底部には排気管１５が接続されており、この排気管１５には真空ポンプを含む排気装置１６が接続されている。排気装置１６を作動させるとチャンバ１内が排気され、これにより、チャンバ１内が所定の真空度まで高速に減圧される。チャンバ１の側壁には、ウェハＷの搬入出を行うための搬入出口１７と、搬入出口１７を開閉するゲートバルブ１８とが設けられている。

マイクロ波伝送部４０は、マイクロ波出力部３０から出力されたマイクロ波を伝送する。マイクロ波伝送部４０に設けられた周縁マイクロ波導入機構４３ａおよび中央マイクロ波導入機構４３ｂは、アンプ部４２から出力されたマイクロ波をマイクロ波放射部材５０に導入する機能およびインピーダンスを整合する機能を有する。

本実施形態のマイクロ波放射部材５０では、６つの周縁マイクロ波導入機構４３ａに対応する６つの誘電体層１２３が、本体部１０において周方向に等間隔に配置され、６つの誘電体窓部１ａがチャンバ１の内部に円形に露出する。

また、中央マイクロ波導入機構４３ｂに対応する１つの誘電体層１３３が、本体部１０の中央に配置され、１つの誘電体窓部１ａがチャンバ１の内部に円形に露出する。中央マイクロ波導入機構４３ｂは、本体部１０の中央にて６つの周縁マイクロ波導入機構４３ａから等間隔の位置に配置されている。

周縁マイクロ波導入機構４３ａおよび中央マイクロ波導入機構４３ｂは、筒状の外側導体５２およびその中心に設けられた棒状の内側導体５３を同軸状に配置する。外側導体５２と内側導体５３の間には、マイクロ波電力が給電され、マイクロ波放射部材５０に向かってマイクロ波が伝播するマイクロ波伝送路４４となっている。

周縁マイクロ波導入機構４３ａおよび中央マイクロ波導入機構４３ｂには、スラグ５４と、その先端部に位置するインピーダンス調整部材１４０とが設けられている。スラグ５４を移動させることにより、チャンバ１内の負荷（プラズマ）のインピーダンスをマイクロ波出力部３０におけるマイクロ波電源の特性インピーダンスに整合させる機能を有する。インピーダンス調整部材１４０は、誘電体で形成され、その比誘電率によりマイクロ波伝送路４４のインピーダンスを調整するようになっている。

マイクロ波放射部材５０は、本体部１０の内部に構成されている。マイクロ波出力部３０から出力され、マイクロ波伝送部４０から伝送されたマイクロ波は、マイクロ波放射部材５０からチャンバ１内に放射される。

マイクロ波放射部材５０は、誘電体天板１２１，１３１、スロット１２２，１３２及び誘電体層１２３，１３３を有する。誘電体天板１２１は、周縁マイクロ波導入機構４３ａに対応して本体部１０の上部に配置され、誘電体天板１３１は、中央マイクロ波導入機構４３ｂに対応して本体部１０の上部に配置されている。誘電体天板１２１，１３１は、マイクロ波を透過させる円盤状の誘電体から形成されている。誘電体天板１２１，１３１は、真空よりも大きい比誘電率を有しており、例えば、石英、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）等のセラミックス、ポリテトラフルオロエチレン等のフッ素系樹脂やポリイミド系樹脂により形成され得る。誘電体天板１２１，１３１は、比誘電率が真空よりも大きい材料で構成される。これにより、誘電体天板１２１，１３１内を透過するマイクロ波の波長を、真空中を伝播するマイクロ波の波長よりも短くしてスロット１２２，１３２を含むアンテナを小さくする機能を有する。

誘電体天板１２１の下には、本体部１０に形成されたスロット１２２を介して誘電体層１２３が本体部１０の開口に嵌め込まれている。誘電体天板１３１の下には、本体部１０に形成されたスロット１３２を介して誘電体層１３３が本体部１０の開口に嵌め込まれている。

誘電体層１２３、１３３は、天井部の内部表面において均一にマイクロ波の表面波プラズマを形成するための誘電体窓としての機能を有する。誘電体層１２３、１３３は、誘電体天板１２１，１３１と同様、例えば、石英、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）等のセラミックス、ポリテトラフルオロエチレン等のフッ素系樹脂やポリイミド系樹脂により形成されてもよい。

本実施形態では、周縁マイクロ波導入機構４３ａの数は６つであるが、これに限らず、Ｎ個配置される。Ｎは、１であってもよく、２以上であってもよいが、３以上が好ましく、例えば３～６であってもよい。なお、マイクロ波放射部材５０は、チャンバ１の天井部を構成する本体部１０の周方向に配置され、プラズマを生成するためのマイクロ波を該処理容器内に導入するＮ個のマイクロ波導入モジュールの一例である。

本体部１０の金属には、シャワー構造のガス導入部２１が形成されている。ガス導入部２１には、ガス供給源２２が接続され、ガス供給源２２から供給されるガスは、ガス供給配管１１１を介してガス拡散室６２からガス導入部２１を通ってチャンバ１内にシャワー状に供給される。ガス導入部２１は、チャンバ１の天井部に形成された複数のガス供給孔６０からガスを供給するガスシャワーヘッドの一例である。ガスの一例としては、例えばＡｒガス等のプラズマ生成用のガスや、例えばＯ_２ガスやＮ_２ガス等の高エネルギーで分解させたいガスが挙げられる。

マイクロ波プラズマ処理装置１００の各部は、制御装置３により制御される。制御装置３は、マイクロプロセッサ４、ＲＯＭ（Read Only Memory）５、ＲＡＭ（Random Access Memory）６を有している。ＲＯＭ５やＲＡＭ６にはマイクロ波プラズマ処理装置１００のプロセスシーケンス及び制御パラメータであるプロセスレシピが記憶されている。マイクロプロセッサ４は、プロセスシーケンス及びプロセスレシピに基づき、マイクロ波プラズマ処理装置１００の各部を制御する。また、制御装置３は、タッチパネル７及びディスプレイ８を有し、プロセスシーケンス及びプロセスレシピに従って所定の制御を行う際の入力や結果の表示等が可能になっている。

かかる構成のマイクロ波プラズマ処理装置１００においてプラズマ処理を行う際には、まず、ウェハＷが、搬送アーム上に保持された状態で、開口したゲートバルブ１８から搬入出口１７を通りチャンバ１内に搬入される。ゲートバルブ１８はウェハＷを搬入後に閉じられる。ウェハＷは、載置台１１の上方まで搬送されると、搬送アームからプッシャーピンに移され、プッシャーピンが降下することにより載置台１１に載置される。チャンバ１の内部の圧力は、排気装置１６により所定の真空度に保持される。ガスがガス導入部２１からシャワー状にチャンバ１内に導入される。周縁マイクロ波導入機構４３ａおよび中央マイクロ波導入機構４３ｂを介してマイクロ波放射部材５０から放射されたマイクロ波が天井部の内部表面を伝播する。表面波となって伝播するマイクロ波の強い電界により、ガスが分解され、チャンバ１側の天井部の表面近傍に生成された表面波プラズマによってウェハＷにプラズマ処理が施される。以下では、チャンバ１の天井部と載置台１１の間の空間を、プラズマ処理空間Ｕという。

［ガス供給孔の構成］
次に、本発明の一実施形態に係るガス導入部２１のガス供給孔６０の構成の一例について、図２を参照しながら説明する。図２（ａ）は、比較例のガス供給孔１６０の一例を示す。図２（ｂ）は、本実施形態に係る複数のガス供給孔６０のうち、図１のＡに示す一のガス供給孔６０の拡大図を示す。

本実施形態に係るマイクロ波プラズマ処理装置１００では、本体部１０の内部表面Ｓにてマイクロ波の表面波が伝播する。このため、本体部１０の内部表面Ｓにおいて電界が強くなる。

図２（ａ）に示す比較例のガス供給孔１６０の直径は、例えば０．３ｍｍであり、長さは、例えば１ｍｍである。この場合、ガス供給孔１６０の内部の圧力をＰ１、チャンバ１内のプラズマ処理空間Ｕの圧力をＰ２とすると、圧力Ｐ１が圧力Ｐ２よりも顕著に高くなる。このため、比較例のガス供給孔１６０では、ガス供給孔１６０にて異常放電が生じ易い。ガス供給孔１６０で異常放電が発生すると、ガス供給孔１６０を形成する部材が溶け、ガス供給孔１６０が閉塞する場合がある。

そこで、本実施形態では、ガス供給孔６０の形状を適正化し、ガス供給孔６０にてマイクロ波の表面波により異常放電が生じることを防止する。具体的には、図２（ｂ）に示すように、本実施形態に係るガス供給孔６０は、その先端にてガス供給孔６０の細孔６０ａから拡大し、プラズマ処理空間Ｕに開口する空洞部６１を有する。ガス供給孔６０の細孔６０ａの直径は、例えば０．３ｍｍであり、長さは、例えば１ｍｍである。空洞部６１のプラズマ処理空間Ｕ側の開口部６４から底部６５までの深さＤは、５ｍｍ以上である。また、空洞部６１は、円筒形である。ただし、空洞部６１は、円筒形に限らず、四角形や五角形等の多角形を底面とする角柱形状であってもよい。

図２（ｂ）の開口部６４のＢ－Ｂ断面の一例を示す図３（ａ）を参照すると、開口部６４の直径φは３ｍｍ以上であって、かつ、プラズマ中のマイクロ波の表面波波長λの１／８以下である。

プラズマ中のマイクロ波の表面波波長λは、真空中のマイクロ波の波長λ_０の約１／３程度である。マイクロ波プラズマプロセスで使用する波長λ_０は概ね１２０～４８０ｍｍであるから、プラズマ中のマイクロ波の表面波波長λは概ね４０～１６０ｍｍになる。よって、開口部６４の直径φは３ｍｍ以上であって、かつ、プラズマ中のマイクロ波の表面波波長λの１／８の５～２０ｍｍとなる。

開口部６４の直径φが、３ｍｍ以上、かつ、プラズマ中のマイクロ波の表面波波長λの１／８以下である技術的意味について説明する。例えば、開口部６４の直径φがプラズマ中のマイクロ波の表面波波長λの１／４の場合、マイクロ波の表面波は、開口部６４で止まり、その先には伝播できない。つまり、空洞部６１の開口部６４は、マイクロ波の表面波を開口部６４の先に伝播させないように機能する。このとき、マイクロ波の表面波は、開口部６４で全反射となるため、空洞部６１の開口部６４付近においてマイクロ波の電界強度が最大となり、臨界値を超えるとアーク放電が発生し、異常放電となる場合がある。

これに対して、開口部６４の直径φがプラズマ中のマイクロ波の表面波波長λの１／８の場合、マイクロ波の表面波は、開口部６４を通過することができる。このとき、マイクロ波の表面波は、開口部６４で止まらず、かつ、空洞部６１の内部圧力Ｐ１とプラズマ処理空間Ｕの圧力Ｐ２との圧力差が小さい。このため、空洞部６１の内部にマイクロ波の強い電界はほぼ侵入せず、空洞部６１における異常放電の発生を防止できる。よって、開口部６４の直径φは、プラズマ中のマイクロ波の表面波波長λの１／８、つまり、１０ｍｍ以下である必要がある。

一方、開口部６４の直径φが３ｍｍよりも小さい場合、マイクロ波の表面波は、開口部６４を通過することはできる。しかし、空洞部６１の内部圧力Ｐ１とプラズマ処理空間Ｕの圧力Ｐ２との圧力差が大きくなる。このため、空洞部６１における異常放電の発生を防止することは困難である。したがって、空洞部６１の開口部６４の直径φは、３ｍｍ以上にする。これによれば、空洞部６１の内部の圧力Ｐ１は、チャンバ１内のプラズマ処理空間Ｕの圧力Ｐ２とほぼ同じ圧力になり、圧力差は小さくなる。これにより、空洞部６１及びその周辺にて異常放電が発生することを防止できる。

次に、空洞部６１にてマイクロ波が減衰するメカニズムについて説明する。図２（ｂ－１）及び図２（ｂ－２）に示すように、空洞部６１の少なくとも底部６５は、絶縁性材料６６により被覆されていない。一方、空洞部６１の側部の少なくとも一部は、絶縁性材料６６により被覆されている。絶縁性材料６６としては、イットリア（Ｙ_２Ｏ_３）又はアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）が好ましい。

図２（ｂ－１）に示すように、空洞部６１の側壁は、プラズマ処理空間Ｕ側の開口部６４から空洞部６１の底部６５に向かって徐々に厚さが薄くなるように、絶縁性材料６６により被覆されていてもよい。また、空洞部６１の底部６５及び側部の底部６５に近い部分は、絶縁性材料６６により被覆されていなくてもよい。

図２（ｂ－２）に示すように、空洞部６１の側壁に被覆された絶縁性材料６６の厚さＤ２を、チャンバ１の天井部の壁面に被覆された絶縁性材料６６の厚さＤ１よりも極端に薄くしてもよい。例えば、厚さＤ２は、厚さＤ１の１／１００以下であってもよい。

マイクロ波は、誘電体の内部を透過して伝播する。そこで、チャンバ１の天井部の内部表面Ｓには、イットリア（Ｙ_２Ｏ_３）等の絶縁性材料６６を溶射し、マイクロ波の表面波が、天井部の内部表面Ｓを通り易いようにする。

一方、上記のように、空洞部６１の側壁の絶縁性材料６６の厚さは、空洞部６１の底部６５に向かって徐々に薄くしたり、天井部の内部表面Ｓに溶射された絶縁性材料６６の厚さと比べて極端に薄くしたりする。これにより、マイクロ波の表面波が空洞部６１の底部６５に向かって伝播する際にマイクロ波を指数関数的に減衰させることができる。

加えて、本実施形態では、空洞部６１の少なくとも底部６５は、絶縁性材料６６により被覆されていない。つまり、空洞部６１の底部６５は、本体部１０のアルミニウムの金属が露出している状態である。このため、空洞部６１の底部６５では、マイクロ波の表面波が伝播し難い。これにより、マイクロ波の表面波の減衰により、表面波は空洞部６１の底部６５の細孔６０ａまで到達しないか、又は、細孔６０ａに到達したとしてもそのマイクロ波の電界強度は低い。この結果、細孔６０ａにて異常放電が発生することを防止できる。

なお、図２（ｂ－１）に示すように、空洞部６１の側壁の絶縁性材料６６の厚さを、空洞部６１の底部６５に向かって徐々に薄くすることで、細孔６０ａでの異常放電を防止しつつ、空洞部６１の開口部６４付近では、プラズマ生成空間Ｕにて生成されるプラズマに対する耐性を維持することができる。

以上に説明したように、本実施形態に係る複数のガス供給孔６０のそれぞれは、先端に円筒状の空洞部６１を有する。そして、空洞部６１の開口部６４が３ｍｍ以上であって、かつ、プラズマ中のマイクロ波の表面波波長の１／８以下に形成されている。これにより、空洞部６１の内部の圧力Ｐ１と、チャンバ１内のプラズマ処理空間Ｕの圧力Ｐ２との圧力差を小さくすることができる。

また、空洞部６１内に溶射された絶縁性材料６６の構成により、空洞部６１の内部においてマイクロ波の表面波が充分に減衰し、細孔６０ａにマイクロ波の表面波が届かないか、又は届いても減衰が大きく、細孔６０ａに届いたマイクロ波の電界強度は低くなっている。これにより、細孔６０ａにて異常放電が発生することを防止できる。

このようにしてガス供給孔６０の形状を適正化することにより、マイクロ波の表面波がガス供給孔６０へ侵入して異常放電が生じることを防止し、プロセスウィンドウを広げることができる。

図２（ｃ）は、本実施形態の変形例１に係るガス供給孔６０の一例を示す。図３（ｂ）は、図２（ｃ）の開口部６４のＣ－Ｃ断面の一例を示す。図２（ｃ）に示すように、空洞部６１は、段差部６１ｃを有してもよい。このとき、空洞部６１は、異なる直径の円筒形６１ａ、６１ｂを有し、それらの直径は、プラズマ処理空間Ｕ側の開口部６４から底部６５に向かって小さくなる。つまり、円筒形６１ａの直径は、円筒形６１ｂの直径よりも大きい。

図２（ｃ）に示す変形例１に係るガス供給孔６０の構成においても、開口部６４の直径φは３ｍｍ以上であるため、空洞部６１の内部の圧力Ｐ１が、チャンバ１内のプラズマ処理空間Ｕの圧力Ｐ２とほぼ同じ圧力になっている。これにより、ガス供給孔６０では、空洞部６１にて異常放電が発生し難い構成となっている。

更に、変形例１に係るガス供給孔６０によれば、段差部６１ｃの角部でマイクロ波の表面波が反射し、その先に伝播し難い構造となっている。このため、さらに空洞部６１の底部６５にマイクロ波が到達し難くなり、細孔６０ａにて異常放電が発生することを確実に防止できる。なお、空洞部６１の内部の段差部６１ｃは、１段であってもよいし、２段以上であってもよい。段差部６１ｃの数が多い程、各角部でマイクロ波の表面波が反射するため、さらに空洞部６１の底部６５にマイクロ波が到達し難くなり、好ましい。

図２（ｄ）は、本実施形態の変形例２に係るガス供給孔６０の一例を示す。図３（ｃ－１）は、図２（ｄ）の開口部６４のＤ－Ｄ断面の一例を示す。図２（ｄ）に示すように、本実施形態の変形例２に係るガス供給孔６０では、空洞部６１の開口部６４に、金属製の部材６３が設けられている。金属製の部材６３は、アルミニウム等の金属製ワイヤーから構成されている。金属製の部材６３は、アルミニウムに限らず、いずれの種類の金属のワイヤーであってもよい。

図２（ｄ）に示す変形例２に係るガス供給孔６０の構成においても、開口部６４の直径φは３ｍｍ以上であるため、空洞部６１の内部の圧力Ｐ１が、チャンバ１内のプラズマ処理空間Ｕの圧力Ｐ２とほぼ同じ圧力になっている。これにより空洞部６１にて異常放電が発生し難い。

更に、変形例２に係るガス供給孔６０では、開口部６４に金属製の部材６３が設けられている。マイクロ波は金属を透過しないため、変形例２に係るガス供給孔６０によれば、金属製の部材６３がマイクロ波の電磁波をカットする部材として機能し、マイクロ波が空洞部６１に入り込むことを抑制できる。

金属製の部材６３は、図３（ｃ－１）に示すように、開口部６４の両端部を同方向に複数本橋渡しするワイヤーであってもよい。金属製の部材６３は、図２（ｄ）の開口部６４のＤ－Ｄ断面の他の例である図３（ｃ－２）に示すように格子状であってもよい。

金属製の部材６３は、１本のワイヤーの橋渡し、２本のワイヤーによる十字形状、３本のワイヤーの橋渡し等、開口部６４の大きさによってワイヤーの本数を変えてもよい。ただし、金属製の部材６３は、図３（ｃ－１）及び図３（ｃ－２）に示すように疎に形成し、網目状等のように密に形成しない。網目状に形成すると、マイクロ波プラズマ処理装置１００において成膜時に金属製の部材６３からパーティクルが発生し、ウェハＷ上に飛散してウェハＷのプラズマ処理時に欠陥を生じさせ、生産性を悪くする原因となるためである。

［誘電体窓部の構成］
次に、本発明の一実施形態に係る誘電体窓部１ａの構成の一例について、図４を参照しながら説明する。図４では、中央マイクロ波導入機構４３ｂの下部にて、本体部１０内に形成されたスロット１３２の下の誘電体層１３３による誘電体窓部１ａの構成の一例を示す。しかしながら、周縁マイクロ波導入機構４３ａの下部にて、本体部１０内に形成されたスロット１２２の下の誘電体層１２３による誘電体窓部１ａの構成についても同一の構成を有する。そこで、以下では、図４に示す中央マイクロ波導入機構４３ｂの下部の誘電体窓部１ａの構成について説明し、同一構成を有する周縁マイクロ波導入機構４３ａの誘電体窓部１ａの構成についての説明を省略する。

誘電体層１３３は下向きに凸形状をしており、チャンバ１の本体部１０の開口部１００ａに外側から蓋をするように設けられている。本実施形態の誘電体層１３３は円板形状を有する。本体部１０の開口部１００ａとのシールは誘電体層１３３の周辺部のＯ－リング１４９にて行う。誘電体層１３３のＯ－リング１４９より外側（プラズマ生成空間Ｕ側）の部分１５０は、ＰＴＦＥ（polytetrafluoroethylene：ポリテトラフルオロエチレン）のフッ素系樹脂によりコーティングされ、誘電体層１３３と本体部１０とを接触させる。これにより、誘電体層１３３と本体部１０の開口部１００ａとのギャップにて異常放電が生じることを防止できる。チャンバのＯ－リング１４９より内側の部分１５１及びチャンバ１の内壁全体は、イットリア（Ｙ_２Ｏ_３）でコーティングされている。

なお所望のプラズマを発生させるという観点から、誘電体天板１３１の直径φ２は１２０ｍｍ以下、チャンバ１の開口部１００ａの直径φ３は８０ｍｍ以上とする。誘電体天板１３１の直径φ２を１２０ｍｍ以下にする理由は、チャンバ１のシール性の確保のために、ある程度大きくする必要があるが、これより大きくなると誘電体層１３３を伝搬するマイクロ波のモードジャンプが発生し、好ましくないためである。

また、チャンバ１の開口部１００ａの直径φ３を８０ｍｍ以上にするのは、直径φ３が８０ｍｍより小さくなると誘電体層１３３の電力分布が悪化するためである。

［空洞部の変形例］
次に、空洞部６１の変形例について図５～図９を参照しながら説明する。
図５は、一実施形態に係る空洞部６１内を流れるガスを説明するための図である。図５の左図は、図５の右図に示す空洞部６１の底部６５の領域Ｋの拡大図である。図５の左図に矢印で示すように、空洞部６１内では、ガスの滞留点Ｋ１，Ｋ２を中心にガスの渦があることが分かる。滞留点Ｋ１，Ｋ２及びその近傍に存在するガスは、滞留しているために他の物質と反応し易く、他の物質と反応した結果、発生する物質はパーティクルの原因となる。

そこで、以下では、ガスの流れを改善できる、変形例に係る空洞部６１を有するガス供給孔６０について図６を参照して説明する。図６の右図は、図６の左図に示す空洞部６１の底部６５の領域Ｑの拡大図である。

変形例に係る空洞部６１では、底部６５が開孔部６４に向かって広がるようにテーパー状に傾斜している。図６の例では、ガス供給孔６０の中心線Ｏから底部６５の角度をθとすると、θ＝３０°である。つまり、本変形例では、細孔６０ａに続く空洞部６１の底部６５は、中心線Ｏを通る空洞部６１の断面形状が６０°のテーパー状となる円錐形に形成される。空洞部６１は、円錐形に続く下側が円筒形になっており、開口部６４に向かって垂直な壁面を有する。なお、本変形例においても、空洞部６１のプラズマ処理空間側（開口部６４）の直径は３ｍｍ以上であって、かつ、プラズマ中のマイクロ波の表面波波長の１／８以下である。

このように、変形例では、空洞部６１の底部６５の角度θを３０°にすることで、細孔６０ａからのガスは、細孔６０ａから空洞部６１の円錐形の壁面（底部６５）をスムーズに流れ、ガスの渦は形成されない。これにより、変形例にかかるガス供給孔６０では、洞部６１の内部にてガスの滞留が生じてパーティクルの原因となる物質が発生することを防止できる。この結果、プロセスウィンドウを広げることができる。なお、変形例に係るガス供給孔６０は、ガスの滞留を防ぎつつ、上記実施形態と同様に異常放電の発生を防止することができる。

加工上、本変形例に係る空洞部６１の円錐形と円筒形との境界部分にて角が取れて緩やかな曲線上になると、更に、ガスは、空洞部６１の円錐形から円筒形の部分に向けてスムーズに流れ、滞留の生じ難い構造とすることができる。

図７は、ガス供給孔６０における、マイクロ波の表面波により発生する電磁界のシミュレーション結果の一例を示す。図７（ａ）は、図２（ａ）に示す比較例のガス供給孔１６０における、電磁界シミュレーションの結果の一例を示し、図７（ｂ）は、図２（ｂ）の一実施形態に係るガス供給孔６０における、電磁界シミュレーションの結果の一例を示す。更に、図７（ｃ）は、本変形例に係るガス供給孔６０における、電磁界シミュレーションの結果の一例を示す。電磁界は、図７の右側に示すように、電界強度が最も高いレベル１から最も低いレベル９まで、９段階のレベルで示されている。

図７（ａ）に示す比較例の場合、ガス供給孔１６０の直径は、例えば０．３ｍｍであり、長さは例えば１ｍｍである。この場合、ガス供給孔１６０の内部の圧力Ｐ１は、チャンバ１内のプラズマ処理空間Ｕの圧力Ｐ２よりも顕著に高くなる。よって、比較例では、ガス供給孔１６０の先端にて急激にマイクロ波の表面波電界Ｅ１がレベル９からレベル１に変化するため、ガス供給孔１６０にて異常放電が生じ易い。

これに対して、図７（ｂ）の一実施形態に係るガス供給孔６０では、空洞部６１の内部の圧力Ｐ１とプラズマ処理空間Ｕの圧力Ｐ２との圧力差が小さい。このため、ガス供給孔６０の内部におけるマイクロ波の表面波電界は、レベル９からレベル１まで段階的に徐々に変わる。このため、ガス供給孔６０の先端におけるマイクロ波の表面波電界Ｅ２は、急激に変化せず、徐々に変化する。これにより、空洞部６１における異常放電の発生を防止できることがわかる。

図７（ｃ）の空洞部６１の底部６５の角度θは３０°である。この場合においても、空洞部６１の内部の圧力Ｐ１とプラズマ処理空間Ｕの圧力Ｐ２との圧力差は小さい。このため、ガス供給孔６０の内部におけるマイクロ波の表面波電界は、図７（ｂ）のガス供給孔６０と同様にレベル９からレベル１まで段階的に徐々に変わる。このため、ガス供給孔６０の先端においても、マイクロ波の表面波電界Ｅ３は急激に変化しておらず、徐々に変化する。これにより、空洞部６１における異常放電の発生を防止できることがわかる。

次に、空洞部６１の底部６５の角度を３０°から４５°に変えたときのガスの滞留について、図８を参照しながら説明する。

図８の右上図は、図８の左図に示す空洞部６１の底部６５の細孔６０ａに続く領域Ｑの拡大図であり、図８の右下図は、図８の左図に示す底部６５の領域Ｑと反対側の端部を含む領域Ｋの拡大図である。空洞部６１の底部６５の角度θを４５°にすると、細孔６０ａからのガスは、細孔６０ａから空洞部６１の円錐形の部分をスムーズに流れるが、領域Ｋの円錐形と円筒形の部分の境界付近にて、ガスが渦になる。これにより、空洞部６１の内部のガスの滞留点Ｋ３，Ｋ４及びその周辺にて、ガスが他の物質と反応し、パーティクルの原因となる物質が発生する。

以上から、空洞部６１の底部６５の角度θが４５°の場合には、空洞部６１におけるガスの流れは改善されていないことがわかる。よって、図９（ａ）～図９（ｄ）に示すように、ガス供給孔６０の空洞部６１の底部６５の角度θは４５°よりも小さいことが好ましい。

図９（ａ）は、これまで説明した変形例に係る空洞部６１を示す。図９（ｂ）～図９（ｄ）は、ガス供給孔６０に関するその他の変形例に係るガス供給孔６０の一例を示す。図９（ｂ）のガス供給孔６０では、空洞部６１の円筒形の高さは、１ｍｍである。また、開口部６４の角度θは、開口部６４から１ｍｍ上の円筒形の端部と、細孔６０ａの端部とを結んだ直線６８とガス供給孔６０の中心線Ｏとのなす角度であって、４５°よりも小さい角度となる。ただし、空洞部６１の円筒形の高さは、１ｍｍに限らず、１ｍｍ以上であればよく、例えば数ｍｍであってもよい。

図９（ｃ）のガス供給孔６０では、空洞部６１は円錐形であり、円筒形を有しない。この場合、開口部６４の角度θは、空洞部６１の端部（開口部６４）と細孔６０ａの端部とを結んだ直線６８が示す円錐形の両端部と、ガス供給孔６０の中心線Ｏとのなす角度であって、４５°よりも小さい角度になる。

なお、空洞部６１の端部（開口部６４）と細孔６０ａの端部とを結んだ、図９（ｃ）の直線６８と同じ図９（ｄ）の仮想線６６'に対して、空洞部６１の壁面６８が外側に湾曲した略円錐形又は略円筒形であってもよい。この場合においても、図９（ｄ）の仮想線６６'とガス供給孔６０の中心線Ｏとのなす角度は、４５°よりも小さい角度とする。

なお、空洞部６１の壁面６８は、図９（ｄ）に示すように外側に湾曲してもよいが、内側には湾曲しない。壁面６８が内側には湾曲すると、空洞部６１からプラズマ処理空間Ｕにガスが導出されたときに、ガスが外側に拡散され易くなり、プラズマ処理空間Ｕにおけるガスの密度分布の制御が難しくなるためである。

なお、図１に示す本体部１０の天井面に形成された複数のガス供給孔６０のうち、エッジ側（本体部１０の外周側）の領域のガス供給孔６０と、センタ側（本体部１０の内周側）の領域のガス供給孔６０と、ミドル側（エッジとセンタの間）の領域のガス供給孔６０の直径及び角度の少なくともいずれかを変えてもよい。これにより、ガス供給孔６０の配置と形状とを適正化することができる。

例えば、上記３つの領域にてガス供給孔６０の角度θを異なる角度に設定することで、プラズマ処理空間Ｕにおけるガスの密度分布の制御することができる。例えば、ガス供給孔６０の角度θを小さくすることで、プラズマ処理空間Ｕにおけるガスの密度に勾配を作るように制御することができる。また、例えば、ガス供給孔６０の角度θを大きくすることで、プラズマ処理空間Ｕにおけるガスの密度分布を平滑化することができる。

また、例えば、上記各領域にてガス供給孔６０の直径を異なる大きさに適正化してもよい。例えば、直径を小さくしてガス供給孔６０の数を増やせば、ガスの均一性を高めることができる。これに加えて、ガス供給孔６０の空洞部６１の高さを変化させてもよい。

以上、プラズマ処理装置を上記実施形態により説明したが、本発明にかかるプラズマ処理装置は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲内で種々の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、矛盾しない範囲で組み合わせることができる。

本明細書では、基板の一例として半導体ウェハＷを挙げて説明した。しかし、基板は、これに限らず、LCD(Liquid Crystal Display)、FPD(Flat Panel Display)に用いられる各種基板や、フォトマスク、ＣＤ基板、プリント基板等であっても良い。

１ チャンバ
１ａ 誘電体窓部
２ マイクロ波プラズマ源
３ 制御装置
１０ 本体部
１１ 載置台
２１ ガス導入部
２２ ガス供給源
３０ マイクロ波出力部
４０ マイクロ波伝送部
４３ａ 周縁マイクロ波導入機構
４３ｂ 中央マイクロ波導入機構
４４ マイクロ波伝送路
５０ マイクロ波放射部材
５２ 外側導体
５３ 内側導体
５４ スラグ
６０ ガス供給孔
６０ａ 細孔
６１ 空洞部
６１ｃ 段差部
６２ ガス拡散室
６３ 金属製の部材
６４ 空洞部の開口部
６５ 空洞部の底部
１００ マイクロ波プラズマ処理装置
１２１，１３１ 誘電体天板
１２２，１３２ スロット
１２３、１３３ 誘電体層
１４０ インピーダンス調整部材
Ｕ プラズマ処理空間

Claims (12)

1. 処理容器の天井部に配置され、ガスからプラズマを生成するためのマイクロ波を該処理容器の内部に導入するマイクロ波導入モジュールと、
   前記処理容器の天井部に形成され、ガスをプラズマ処理空間に導入する複数のガス供給孔と、を有するマイクロ波プラズマ処理装置であって、
   前記複数のガス供給孔のそれぞれは、
   前記ガス供給孔の細孔から拡大し、前記プラズマ処理空間側に開口した開口部を備え、前記処理容器の前記天井部と水平な底部を有した空洞部を有し、
   前記空洞部のプラズマ処理空間側の直径は３ｍｍ以上であって、かつ、プラズマ中のマイクロ波の表面波波長の１／８以下であり、
   前記処理容器の前記天井部と少なくとも前記空洞部の側壁は、絶縁性材料により被覆され、
   前記空洞部の前記底部は、前記絶縁性材料により被覆されておらず前記空洞部を構成する金属が露出しており、前記空洞部の前記側壁に被覆された前記絶縁性材料の厚さは、前記処理容器の前記天井部に被覆された前記絶縁性材料よりも薄い、
   プラズマ処理装置。
2. 前記空洞部は、円筒形である、
   請求項１に記載のプラズマ処理装置。
3. 前記空洞部の前記開口部から前記底部までの深さは、５ｍｍ以上である、
   請求項１又は２に記載のプラズマ処理装置。
4. 前記空洞部は、前記開口部から前記底部に向かって厚さが薄くなるように絶縁性材料により被覆されている、
   請求項１に記載のプラズマ処理装置。
5. 前記空洞部の内部に被覆された絶縁性材料の厚さは、前記処理容器の天井部に被覆された絶縁性材料の厚さの１／１００以下である、
   請求項４に記載のプラズマ処理装置。
6. 前記空洞部は、１段以上の段差部を有する、
   請求項２～５のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。
7. 前記空洞部の直径は、前記開口部から前記底部に向かって小さくなる、
   請求項６に記載のプラズマ処理装置。
8. 前記空洞部の前記開口部には、金属製の部材が設けられている、
   請求項１～７のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。
9. 前記空洞部は、前記細孔に繋がる円錐形を有し、
   前記円錐形の両端部と前記空洞部の中心線とによりなす角度θは、４５°よりも小さい、
   請求項１～８のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。
10. 前記空洞部は、前記開口部側にて前記円錐形に繋がる円筒形を有する、
    請求項９に記載のプラズマ処理装置。
11. 前記円筒形の部分の高さは、１ｍｍ以上である、
    請求項１０に記載のプラズマ処理装置。
12. 前記空洞部は、前記細孔に繋がる、円錐形よりも外側に湾曲した略円錐形を有し、
    前記略円錐形の両端部と前記空洞部の中心線とによりなす角度θは、４５°よりも小さい、
    請求項１～８のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。

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