JP4338355B2 - プラズマ処理装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電子デバイス等を作製するために、被処理体（電子デバイス用基材等）に対してプラズマ処理を行う際に好適に使用可能なプラズマ処理装置およびプラズマ処理方法に関する。より詳しくは、本発明は、プラズマに基づくガス解離状態をコントロールしつつ、プラズマ処理内に供給されるべきガス組成および／又はガス密度の均一性を向上させたプラズマ処理装置およびプラズマ処理方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
本発明のプラズマ処理装置は、被処理体（例えば、半導体ないし半導体デバイス、液晶デバイス等の電子デバイス材料）のプラズマ処理に広く一般的に適用可能であるが、ここでは説明の便宜のために、半導体デバイスの背景技術を例にとって説明する。
【０００３】
近年、半導体デバイスの高密度化および高微細化に伴い、半導体デバイスの製造工程において、成膜、エッチング、アッシング等の種々の処理のためにプラズマ処理装置が使用される場合が増大している。このようなプラズマ処理を用いた場合には、高精度なプロセス制御が容易であるという一般的な利点がある。
【０００４】
従来のプラズマ処理装置においては例えば、プラズマ処理室の中央部に高周波供給手段（例えば、高周波アンテナ）が配置される場合には、ガス導入管は高周波供給手段から出来る限り離れた位置、すなわちプラズマ処理室の周辺部に配置されていた。
【０００５】
特開平９−６３７９３号には、平面アンテナ部材を用い、アンテナ覆い部材の中心部に処理ガス導入部を配置したプラズマ処理装置が開示されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、上記した従来技術の欠点を解消することが可能なプラズマ処理装置およびプラズマ処理方法を提供することにある。
【０００７】
本発明の他の目的は、プラズマ処理内に供給されたガスの均一性を向上させることが可能なプラズマ処理装置およびプラズマ処理方法を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明者は鋭意研究の結果、プラズマ処理においては、ガス解離状態のコントロールが極めて重要であることを見い出した。本発明は更に検討を続けた結果、高周波供給手段の近傍で、且つプラズマ処理室と特定の位置関係になるようにガス導入管を配置することが、ガス解離状態のコントロールのために極めて効果的なことを見出した。
【０００９】
本発明のプラズマ処理装置は上記知見に基づくものであり、より詳しくは、被処理体にプラズマ処理を行うための処理室と；該処理室にガスを供給するためのガス供給手段と；該ガスをプラズマ化するための高周波供給手段とを少なくとも含むプラズマ処理装置であって；前記ガス供給手段が少なくとも１本のガス導入管を有し、且つ該ガス導入管の先端が、被処理体に対向する処理室内壁から処理室内に突出した位置に配置されていることを特徴とするものである。
【００１０】
本発明によれば、更に、プラズマ処理室内に供給されたガスに基づくプラズマを利用して、該処理室内に配置された被処理体に対してプラズマ処理を行うに際し；その処理室内の先端が、被処理体に対向する処理室内壁から処理室内に突出した位置に配置されたガス導入管から、前記ガスが処理室内に供給されることを特徴とするプラズマ処理方法が提供される。
プラズマ処理に基づくガス解離状態コントロールの点からは、前述した特開平９−６３７９３号のプラズマ処理装置と比較して、上記構成を有する本発明のプラズマ処理装置は、ガス解離状態コントロールに好適な位置にガスを供給することが容易である。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、必要に応じて図面を参照しつつ本発明を更に具体的に説明する。以下の記載において量比を表す「部」および「％」は、特に断らない限り質量基準とする。
【００１２】
（プラズマ処理装置）
【００１３】
本発明のプラズマ処理装置は、被処理体にプラズマ処理を行うための処理室と、該処理室にガスを導入するためのガス供給手段と、該ガスをプラズマ化するための高周波供給手段とを有する。このガス供給手段は少なくとも１本のガス導入管を有し、そのガス導入管の先端は、被処理体に対向する処理室内壁から処理室内に突出した位置に配置されている。
（拡散プラズマ領域）
本発明において「拡散プラズマ領域」とは、反応ガスの過剰な解離を実質的に生じないプラズマの領域をいう。
【００１４】
（処理室の中央部近傍）
【００１５】
本発明において、プラズマ処理室内に導入すべき処理ガスの均一性（例えば、濃度および／又はガス組成における均一性）の点からは、少くとも１つのガス導入管先端は処理室の中央部近傍に配置されることが好ましい。
【００１６】
（プラズマ処理装置の一態様）
【００１７】
以下、添付図面を参照しつつ、本発明の例示的なマイクロ波プラズマ処理装置１００について説明する。なお、各図において同一の参照符号は、原則として同一ないしは対応する部材を表すものとする。
【００１８】
図１は、本発明のマイクロ波プラズマ処理装置の代表的な構成を示す垂直方向の模式断面図である。図２は、図１のマイクロ波／ガス導入部分の拡大模式断面図である。
【００１９】
図１および図２を参照して、本態様のマイクロ波プラズマ処理装置１００は、図示しないクラスターツールに連通されたゲートバルブ１０１と、半導体ウェハ基板やＬＣＤ（液晶デバイス）基板等の被処理体Ｗを載置しているサセプタ１０４を収納可能な処理室１０２と、処理室１０２に接続されている高真空ポンプ１０６と、マイクロ波源１１０と、アンテナ部材１２０と、第１のガス供給系１３０および第２のガス供給系１６０とを有している（なお、プラズマ処理装置１００の制御系については図示が省略されている）。
【００２０】
本態様のマイクロ波プラズマ処理装置１００においては、モード変換器１１２の中心導体１１２ａに第３のガス供給系２１０が配置されている。なお、後述するように、本発明においては、第３のガス供給系２１０のみからプラズマ処理に必要なガスを供給してもよい（すなわち、第１のガス供給系１３０および第２のガス供給系１６０は省略可能である）。
【００２１】
本態様のマイクロ波プラズマ処理装置１００において、第３のガス供給系２１０からのガス供給口であるノズル２１１は、絶縁部材１２１から「高さｄ」だけ処理室１０２内に突出している。本態様においては、この高さｄが、「好適なガス解離状態を与える処理室内の位置」に対応する。このようにノズル２１１を処理室１０２内に突出して配置することにより、好適なガス解離コントロールを可能としつつ、処理室１０２内に供給すべきガスの組成および／又は密度の均一化が可能となり、従って、該ガスに基づくプラズマ処理（例えば、成膜、エッチング、クリーニング等）の均一化が可能となる。このようなプラズマ処理の均一化は、特に、大口径のウエハを用いる際に効果が顕著である。
【００２２】
再び図１を参照しつつ、本態様のプラズマ処理装置１００の構成について説明する。
【００２３】
処理室１０２においては、その側壁や底部がアルミニウム等の導体により構成される。本態様では処理室１０２は例示的に円筒形状を有するが、その形状は図１に示すような垂直方向の断面的に矩形状に限定されずに凸状等に成形されることができる。処理室１０２内には、サセプタ１０４とその上に被処理体Ｗが支持されている。なお、図１においては、被処理体Ｗを固定する静電チャックやクランプ機構等は便宜上省略されている。
【００２４】
サセプタ１０４は、処理室１０２内で被処理体Ｗの温度制御を行う。サセプタ１０４の温度は、所定の温度範囲に温度調節装置１９０によって調節される。
【００２５】
温度制御装置１９０は、図３に示すように、制御装置１９１と、冷却ジャケット１９２と、封止部材１９４と、温度センサ１９６とヒータ装置１９８とを有し、水道等の水源１９９から冷却水を供給される。ここで、図３は図１に示す温度調節装置１９０のより詳細な構造を示すブロック図である。制御装置１９１は、サセプタ１０４および被処理体Ｗの温度が所定の温度範囲になるように制御する。制御の容易性から、水源１９９から供給される冷却水の温度は恒温であることが好ましい。
【００２６】
制御装置１９１は、ＣＶＤ（化学気相堆積）等の成膜プロセスであれば適当な高温（例えば、約４５０℃）に、エッチングプロセスであれば適当な低温（例えば、少なくとも８０℃以下）に温度を制御することができる。いずれの場合にしろ、被処理体Ｗには不純物としての水分が付着しないような温度に設定される。
【００２７】
冷却ジャケット１９２はプラズマ処理時の被処理体Ｗを冷却するための冷却水を流す。冷却ジャケット１９２は、例えば、ステンレス等熱伝導率がよく、流路１９３を加工しやすい材料が選択される。流路１９３は、例えば、矩形状の冷却ジャケット１９２を縦横に貫通し、ねじ等の封止部材１９４を貫通孔にねじ込むことによって形成することができる。もちろん、図３に拘らず、冷却ジャケット１９２と流路１９３それぞれは任意の形状を有することができる。冷却水の代わりに他の種類の冷媒（アルコール、ガルデン、フロン等）を使用することができるのはもちろんである。温度センサ１９６は、ＰＴＣサーミスタ、赤外線センサ、熱電対等周知のセンサを使用することができる。温度センサ１９６は流路１９３に接続してもよいし、接続していなくてもよい。
【００２８】
ヒータ装置１９８は、例えば、冷却ジャケット１９２の流路１９３に接続された水道管の周りに巻かれたヒータ線等としてから構成される。ヒータ線に流れる電流の大きさを制御することによって冷却ジャケット１９２の流路１９３を流れる水温を調節することができる。冷却ジャケット１９２は熱伝導率が高いので流路１９３を流れる水の水温と略同じ温度に制御されることができる。
【００２９】
図１を参照して、サセプタ１０４は処理室１０２内で昇降可能に構成されている。サセプタ１０４の昇降系は、昇降部材、ベローズ、昇降装置等から構成され、当業界で周知のいかなる構造も適用することができる。サセプタ１０４は、昇降装置により、例えば、ホームポジションとプロセスポジションの間を昇降する。サセプタ１０４はプラズマ処理装置１００のオフ時や待機時にホームポジションに配置され、また、ホームポジションにおいて、サセプタ１０４は図示しないクラスターツールからゲートバルブ１０１を介して被処理体Ｗの受け渡しを行うが、選択的に、サセプタ１０４にはゲートバルブ１７０と連絡するために、受け渡しポジションが設定されてもよい。サセプタ１０４の昇降距離は図示しない昇降装置の制御装置又はプラズマ処理装置１００の制御装置によって制御することができ、図示しないビューポートから目視することができる。
【００３０】
サセプタ１０４は、一般に、図示しないリフタピン昇降系に接続される。リフタピン昇降系は、昇降部材、ベローズ、昇降装置等から構成され、当業界で周知のいかなる構造も適用することができる。昇降部材は、例えばアルミニウムから構成され、例えば正三角形の頂点に配置された垂直に延びる３本のリフタピンに接続されている。リフタピンは、サセプタ１０４内部を貫通して被処理体Ｗを支持してサセプタ１０４上で昇降させることができる。被処理体Ｗの昇降は、被処理体Ｗを図示しないクラスターツールから処理室１０２に導入する際に、および、プロセス後の被処理体Ｗを図示しないクラスターツールに導出する際に行われる。昇降装置は、サセプタ１０４が所定位置（例えば、ホームポジション）にあるときにのみリフタピンの昇降を許容するよう構成されてもよい。また、リフタピンの昇降距離は図示しない昇降装置の制御装置又はプラズマ処理装置１００の制御装置によって制御することができるし、図示しないビューポートからも目視することができる。
【００３１】
サセプタ１０４は、必要があれば、バッフル板（又は整流板）を有してもよい。バッフル板はサセプタ１０４と共に昇降してもよいし、プロセスポジションに移動したサセプタ１０４と係合するように構成されてもよい。バッフル板は被処理体Ｗが存在する処理空間とその下の排気空間を分離して、主として、処理空間の電位を確保（即ち、マイクロ波を処理空間に確保）すると共に真空度（例えば、６６６６ｍＰａ）を維持する機能を有する。バッフル板は、例えば、純アルミニウム製で中空のディスク形状を有する。バッフル板は、例えば、厚さ２ｍｍを有し、径２ｍｍ程度の孔をランダムに多数（例えば、開口率５０％以上）有する。なお、選択的に、バッフル板はメッシュ構造を有していてもよい。必要があれば、バッフル板は排気空間から処理空間への逆流を防止したり、処理空間と排気空間の差圧をとったりする機能を有していてもよい。
【００３２】
サセプタ１０４には、バイアス用高周波電源２８２とマッチングボックス（整合回路）２８４が接続されて、アンテナ部材１２０と共にイオンプレーティングを構成している。バイアス用高周波電源２８２は被処理体Ｗに負の直流バイアス（例えば、１３．５６ＭＨｚの高周波）を印加している。マッチングボックス２８４は、処理室１０２内の電極浮遊容量、ストレーインダクタンス等の影響を防止する。マッチングボックス２８４は、例えば、負荷に対して並列および直列に配置されたバリコンを利用してマッチングをとることができる。この結果、被処理体Ｗに向かってイオンがそのバイアス電圧によって加速されてイオンによる処理が促進される。イオンエネルギーはバイアス電圧によって定まり、バイアス電圧は高周波電力によって制御することができる。電源２８３が印加する周波数は平面アンテナ部材１２０のスリット１２０ａに応じて調節することができる。
【００３３】
処理室１０２の内部は高真空ポンプ１０６により所定の減圧又は真空密閉空間に維持されることができる。高真空ポンプ１０６は処理室１０２を均一に排気して、プラズマ密度を均一に保ち、部分的にプラズマ密度が集中して部分的に被処理体Ｗの処理深さが変化することを防止する。高真空ポンプ１０６は、図１においては、一つのみ処理室１０２の端部に設けられているが、その位置や数は例示的である。高真空ポンプ１０６は、例えば、ターボ分子ポンプ（ＴＭＰ）により構成され、図示しない圧力調整バルブを介して処理室１０２に接続されている。圧力調整バルブはコンダクタンスバルブ、ゲートバルブ又は高真空バルブ等の名称で当業界では周知である。圧力調整バルブは不使用時に閉口され、使用時に処理室１０２の圧力を高真空ポンプ１０６によって真空引きされた所定の圧力に保つように開口される。
【００３４】
なお、図１に示すように、本態様によれば、高真空ポンプ１０６は処理室１０２に直接接続されている。ここで、「直接接続」とは、配管を介さないで、という意味であり、圧力調整バルブが介在することは問わない。
【００３５】
処理室１０２の側壁には、（反応）ガス供給系１３０に接続された石英パイプ製ガス供給リング１４０と、（放電）ガス供給系１６０に接続された石英パイプ製ガス供給リング１７０とが取り付けられている。ガス供給系１３０および１６０は、ガス源１３１および１６１と、バルブ１３２および１６２と、マスフローコントローラ１３４および１６４と、これらを接続するガス供給路１３６および１６６とを有している。ガス供給路１３６および１６６はガス供給リング１４０および１７０に接続されている。
【００３６】
図１を参照して、この態様においては、プラズマ処理室の中央部近傍（ノズル２１１）からＣ_４Ｆ_８等の反応ガスを供給している。この反応ガスとしては、例えば、ＣｘＦｙ系ガス（Ｃ_４Ｆ_８、Ｃ_５Ｆ_８等）、３ＭＳ（トリメチルシラン）、ＴＭＣＴＳ（テトラメチルシクロテトラシロキサン）等のガスを使用することができる。例えば、ＣＦｘ膜等のＬｏｗ−ｋ（低誘電率）膜を成膜する場合には、Ｃ_４Ｆ_８＋Ａｒガスの組合せを使用することができる。必要に応じて、上記反応ガスと組合せてあるいは混合して、ノズル２１１からプラズマ励起用のガスを供給してもよい。この際プラズマ励起用ガスとしては、例えば、Ａｒ、Ｈｅ、Ｋｒ、Ｘの希ガスないし不活性ガス、またはＯ₂等のガスを使用することができる。
例えば、窒化シリコン膜を堆積する場合には、ガス源１３１はＮＨ₃やＳｉＨ₄ガス等の反応ガス（又は材料ガス）を供給し、ガス源１６１はネオン、キセノン、アルゴン、ヘリウム、ラドン、クリプトンのいずれかにＮ₂とＨ₂を加えたもの等の放電ガスを供給する。但し、ガスはこれらに限定されず、Ｃｌ₂、ＨＣｌ、ＨＦ、ＢＦ₃、ＳｉＦ₃、ＧｅＨ₃、ＡｓＨ₃、ＰＨ₃、Ｃ₂Ｈ₂、Ｃ₃Ｈ₈、ＳＦ₆、Ｃｌ₂、ＣＣｌ₂Ｆ₂、ＣＦ₄、Ｈ₂Ｓ、ＣＣｌ₄、ＢＣｌ₃、ＰＣｌ₃、ＳｉＣｌ₄、ＣＯ等を広く適用することができる。
【００３７】
ガス供給系１６０は、ガス源１３１をガス源１３１および１６１のそれぞれのガスを混合したガスを供給する一のガス源に置換することにより省略することができる。バルブ１３２および１６２は、被処理体Ｗのプラズマ処理時に開口され、プラズマ処理以外の期間に閉口されるように制御される。
【００３８】
マスフローコントローラ１３４および１６４はガスの流量を制御し、例えば、ブリッジ回路、増幅回路、コンパレータ制御回路、流量調節バルブ等を有し、ガスの流れに伴う上流から下流への熱移動を検出することによって流量測定して流量調節バルブを制御する。但し、マスフローコントローラ１３４および１６４の構造は特に制限されず、これ以外の公知の構造をも適用することができる。
【００３９】
ガス供給路１３６および１６６は、例えば、シームレスパイプを使用したり、接続部に食い込み継ぎ手やメタルガスケット継ぎ手を使用したりして供給ガスへの配管からの不純物の混入が防止している。また、配管内部の汚れや腐食に起因するダストパーティクルを防止するために配管は耐食性材料から構成されるか、配管内部がＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン、例えばテフロン（登録商標））、ＰＦＡ、ポリイミド、ＰＢＩその他の絶縁材料により絶縁加工されたり、電解研磨処理がなされたり、更には、ダストパーティクル捕捉フィルタを備えたりしている。
【００４０】
図４に示すように、処理室１０２の周辺部からのガスを供給するためのガス供給リング１４０は石英からなるリング形状の筐体又は本体部を有し、ガス供給路１３６に接続された導入口１４１と、導入口１４１に接続された流路１４２と、流路１４２に接続された複数のガス導入管１４３と、流路１４２およびガス排出路１３８に接続された排出口１４４と、処理室１０２への取付部１４５とを有する。ここで、図４はガス供給リング１４０の平面図である。
【００４１】
均一に配置された複数のガス導入管１４３は処理室１０２内にガスの均一な流れを作るのに寄与している。もちろん、本発明のガス供給手段はこれに限定されず、中心から周辺へガスを流すラジアルフロー方式や被処理体Ｗの対向面に多数の小孔を設けてガスを導入する後述のシャワーヘッド方式も適用することができる。
【００４２】
後述するように、本態様のガス供給リング１４０（の流路１４２およびガス導入管１４３）はガス排出路１３８に接続された排出口１４４から排気可能である。ガス導入管１４３は０.１ｍｍ程度の口径しか有しないためにガス導入管１４３を介してガス供給リング１４０を高真空ポンプ１０６により排気してもその内部に残留し得る水分を効果的に除去できない。このため、本態様のガス供給リング１４０はノズル１４３よりも口径の大きな排出口１４４を介して流路１４２およびガス導入管１４３内の水分等の残留物を効果的に除去することを可能にしている。
【００４３】
なお、ガス導入管１７３も、ガス導入管１４３と同様に、ガス供給リング１７０に設けられており、ガス供給リング１７０はガス供給リング１４０と同様の構成を有している。従って、ガス供給リング１７０は、図示しない導入口１７１と、流路１７２と、複数のガス導入管１７３と、排出口１７４と、取付部１７５とを有する。ガス供給リング１４０と同様に、本態様のガス供給リング１７０（の流路１７２およびガス導入管１７３）はガス排出路１６８に接続された排出口１７４から排気可能である。ガス導入管１７３も０.１ｍｍ程度の口径しか有しないためにガス導入管１７３を介してガス供給リング１７０を高真空ポンプ１０６により排気してもその内部に残留し得る水分を効果的に除去できない。このため、本態様のガス供給リング１７０はノズル１７３よりも口径の大きな排出口１７４を介して流路１７２およびガス導入管１７３内の水分等の残留物を効果的に除去することを可能にしている。
【００４４】
ガス供給リング１４０の排出口１４４に接続されているガス排出路１３８の多端には真空ポンプ１５２が圧力調整バルブ１５１を介して接続されている。また、ガス供給リング１７０の排出口１７４に接続されているガス排出路１６８の多端には真空ポンプ１５４が圧力調整バルブ１５３を介して接続されている。真空ポンプ１５２および１５４には、例えば、ターボ分子ポンプ、スパッターイオンポンプ、ゲッターポンプ、ソープションポンプ、クライオポンプ等を使用することができる。
【００４５】
圧力調整バルブ１５１と１５３は、バルブ１３２および１６２の開口時に閉口され、バルブ１３２および１６２の閉口時に開口されるように開閉時期が制御される。この結果、バルブ１３２および１６２が開口されるプラズマ処理時には真空ポンプ１５２および１５４は閉口されて、ガスがプラズマ処理に使用されることを確保する。一方、プラズマ処理の終了後、被処理体Ｗを処理室１０２に導入排出期間、サセプタ１０４の昇降期間等、バルブ１３２および１６２が閉口されるプラズマ処理以外の期間においては真空ポンプ１５２および１５４は開口される。これにより、真空ポンプ１５２および１５４は、ガス供給リング１４０および１７０をそれぞれ残留ガスの影響を受けない真空度まで排気する。この結果、真空ポンプ１５２および１５４は、その後のプラズマ処理においてガス導入管１４３および１７３が詰まることによるガスの不均一な導入や水分等の不純物が被処理体Ｗに混入することを防止することができ、高品質なプラズマ処理が被処理体Ｗに施されることを可能にする。
【００４６】
図１を参照して、マイクロ波源１１０は、例えば、マグネトロンからなり、通常２．４５ＧＨｚのマイクロ波（例えば、５ｋＷ）を発生することができる。マイクロ波は、その後、モード変換器１１２により伝送形態がＴＭ、ＴＥ又はＴＥＭモード等に変換される。本態様においては、例えば、伝送形態ＴＥモードが、モード変換器１１２により、ＴＥＭモードに変換される。
【００４７】
なお、図１では、発生したマイクロ波がマグネトロンへ戻る反射波を吸収するアイソレータや、負荷側とのマッチングをとるためのＥＨチューナ又はスタブチューナは省略されている。
【００４８】
アンテナ部材１２０の上部には、必要に応じて温調板１２２を配置することができる。温調板１２２は、温度制御装置１２４に接続される。このアンテナ部材１２０は、例えば後述するスロット電極からなる。このアンテナ部材１２０と、温調板１２２との間には、必要に応じて、後述する遅波材１２５を配置してもよい。
【００４９】
アンテナ部材１２０の下部には誘電板１２１が配置されている。これらのアンテナ部材１２０、および温調板１２２は、必要に応じて、図示しない収納部材中に収容されていてもよい。この収納部材としては、熱伝導率が高い材料（例えば、ステンレス）を使用することができ、その温度は温調板１２２の温度とほぼ同じ温度に設定される。
【００５０】
遅波材１２５には、マイクロ波の波長を短くするために所定の誘電率を有すると共に熱伝導率が高い所定の材料が選ばれる。処理室１０２に導入されるプラズマ密度を均一にするには、アンテナ部材１２０に多くのスリット１２０ａを形成する必要があり、遅波材１２５は、アンテナ部材１２０に多くのスリット１２０ａを形成することを可能にする機能を有する。遅波材１２５としては、例えば、アルミナ系セラミック、ＳｉＮ、ＡｌＮを使用することができる。例えば、ＡｌＮは比誘電率εtが約９であり、波長短縮率ｎ＝１／（εt）1/2＝０．３３である。これにより、遅波材１２５を通過したマイクロ波の速度は０．３３倍となり波長も０．３３倍となり、アンテナ部材１２０のスリット１２０ａ間隔を短くすることができ、より多くのスリットが形成されることを可能にしている。
【００５１】
アンテナ部材１２０は、遅波材１２５にねじ止めされており、例えば、直径５０ｃｍ、厚さ１ｍｍ以下の円筒状銅板から構成される。アンテナ部材１２０は、ラジアルラインスロットアンテナ（ＲＬＳＡ）（又は超高能率平面アンテナ）と呼ばれる場合もある。但し、本発明はその他の形式のアンテナ（一層構造導波管平面アンテナ、誘電体基板平行平板スロットアレー等）の適用を排除するものではない。
【００５２】
アンテナ部材１２０としては、図５に平面図を示すようなアンテナ部材１２０を使用することができる。図５に示したように、このアンテナ部材１２０では、表面に複数のスロット１２０ａ，１２０ａ，...が同心円状に形成されている。各スロット１２０ａは略方形の貫通した溝であり、隣接するスロットどうしは互いに直交して略アルファベットの「Ｔ」の文字を形成するように配設されている。スロット１２０ａの長さや配列間隔は、マイクロ波電源部６１より発生したマイクロ波の波長に応じて決定することができる。
【００５３】
温度制御装置１２４は、マイクロ熱による収納部材（図示せず）およびこの近傍の構成要素の温度変化が所定の範囲になるように制御する機能を有する。温度制御装置１２４は、図示しない温度センサとヒータ装置とを温調板１２２に接続し、温調板１２２に冷却水や冷媒（アルコール、ガルデン、フロン等）を導入することにより温調板１２２の温度を所定の温度に制御する。温調板１２２は、例えば、ステンレス等熱伝導率がよく、冷却水等が流れる流路を内部に加工しやすい材料が選択される。温調板１２２は収納部材（図示せず）に接触しており、収納部材（図示せず）と遅波材１２５は熱伝導率が高い。この結果、温調板１２２の温度を制御することによって遅波材１２５とアンテナ部材１２０の温度を制御することができる。遅波材１２５とアンテナ部材１２０は、温調板１２２等がなければ、マイクロ波源１１０の電力(例えば、５ｋＷ)を長時間加えることにより、遅波材１２５とアンテナ部材１２０での電力ロスから電極自体の温度が上昇する。この結果、遅波材１２５とアンテナ部材１２０が熱膨張して変形する。
【００５４】
誘電板１２１はアンテナ部材１２０と処理室１０２との間に配置されている。アンテナ部材１２０と誘電板１２１は、例えば、ロウにより強固にかつ機密に面接合される。代替的に、焼成されたセラミック又は窒化アルミニウム（ＡｌＮ）からなる誘電板１２１の裏面に、スクリーン印刷等の手段により銅薄膜を、スリットを含むアンテナ部材１２０の形状にパターン形成して、これを焼き付けるように銅箔のアンテナ部材１２０を形成してもよい。
【００５５】
なお、温調板１２２の機能を誘電板１２１に持たせてもよい。即ち、誘電板１２１の側部周辺に流路を有する温調板を誘電板１２１に一体的に取り付けることによって誘電板１２１の温度を制御し、これによって遅波材１２５とアンテナ部材１２０とを制御することができる。誘電板１２１は例えばオーリングにより処理室１０２に固定されている。従って、代替的に、オーリングの温度を制御することにより誘電板１２１、そしてこの結果、遅波材１２５とアンテナ部材１２０の温度を制御するように構成してもよい。
【００５６】
誘電板１２１は、減圧又は真空環境にある処理室１０２の圧力がアンテナ部材１２０に印加されてアンテナ部材１２０が変形したり、アンテナ部材１２０が処理室１０２に剥き出しになってスパッタされたり銅汚染を発生したりすることを防止している。また、絶縁体である誘電板１２１はマイクロ波が処理室１０２に透過することを可能にしている。必要があれば、誘電板１２１を熱伝導率の低い材質で構成することによって、アンテナ部材１２０が処理室１０２の温度により影響を受けるのを防止してもよい。
【００５７】
（各部の構成）
【００５８】
次に、本発明のプラズマ処理装置を構成する各部について詳細に説明する。
【００５９】
（ガス導入管）
【００６０】
本発明において、上述した図１に示したガス導入管２１１は、好適なガス解離コントロール可能な処理室内の位置に配置される。本発明者らの検討によれば、この「好適なガス解離コントロール可能な処理室内の位置」（ないしは図１に示す「突出高さ」ｄ）は、以下のものであることが好ましいことが判明した。
【００６１】
（１）生成されるべきプラズマの電子温度１．６ｅＶ以下に対応する位置
【００６２】
（２）生成されるべきプラズマの高周波電界侵入長（penetration length）よりｄが大きくなるような位置
この突出高さｄは、侵入長δの１．０２倍以上、更には１．０５倍以上、特に１．１倍以上、更には１．２倍以上であることが好ましい。
一般に、プラズマにおいて電子密度がカットオフ密度を超えω_pe＞ωとなると、高周波はプラズマ中を伝搬できなくなり、表面付近で反射される。ここにω_peは電子プラズマ周波数ω_pe＝（ｅ²ｎ_e／ε₀ｍ_e）^1/2であり、ωは高周波の角周波数である（ｅは電子の電荷、ε₀は真空の誘電率、ｍ_eは電子の質量である）ｚ方向に入射した高周波の電界、及び磁界は、ｅｘｐ（−ｚ／δ）に比例した振幅で指数関数的に減小しながらプラズマ中に侵入する。ここで、侵入長δは、

である（上記式中、ｃは光速である）。
【００６３】
他方ｄの値は、ガス導入管−被処理体間の距離が５ｍｍ以上、更には１０ｍｍ以上、特に１５ｍｍ以上に対応するようなものであることが好ましい。
必要に応じて、突出高さｄは可変としてもよい。このｄを可変とする手段は特に制限されないが、例えば（モーターおよびベローズ）の組合せ、（モーター＋Ｏ−リング）の組合せ等を好適に用いることができる。
このｄを可変とする手段としては、電気的、機械的、又は手動の１以上の手段を用いることができる。更には、このｄは連続的に可変としてもよく、あるいは段階的に可変としてもよい。例えば好適なｄを与えるために長さの異なる対応する部材（ノズル等）を電気的、機械的および／又は手動で移動／取り外し可能としてもよい。
【００６４】
（プラズマの電子温度に基づく場合）
【００６５】
本発明においては、上記した「突出高さ」ｄは、生成されるべきプラズマの電子温度１．６ｅＶ以下の位置であることが好ましい。このｄは、更にはプラズマの電子温度１．５ｅＶ以下、特に１．４ｅＶ以下、更には１．３ｅＶ以下、特に１．２ｅＶ以下の位置であることが好ましい。
【００６６】
図６は、マイクロ波励起の高密度プラズマにおける絶縁板からの距離（ｚ）と、プラズマの電子温度との関係の一例を示すグラフである。このグラフのような距離−電子温度の関係を示すプラズマを用いる場合には、例えば、プラズマの電子温度１．２ｅＶ以下の位置は、ｚ＝２０ｍｍ以上の位置に対応する。
【００６７】
また、この好ましい「突出高さ」ｄは、被処理体（例えばウエハ）のプラズマ処理に使用されるべき電子温度（Ｔ_ｅｓ）の１．６倍以下のプラズマ電子温度の位置としても表すことができる。「突出高さ」ｄは、更にはＴ_ｅｓの１．４倍以下、更には１．２倍以下に対応する位置であることが好ましい。例えば図６のグラフにおいて、電子温度１．０ｅＶの位置に被処理体（例えばウエハ）を配置する場合には、「突出高さ」ｄは、電子温度１．６ｅＶ以下に対応する位置であることが好ましい。
図１８の模式斜視図に、本発明において使用可能な導波管、同軸管（図１８においてはモード変換器の態様）、および処理ガス導入を行うべき中心導体の配置の一態様を示す。この図１８に示す態様においては、モード変換器を構成する同軸導波管の中心導体内を中空として、この中空の同軸導波管を、処理ガスを流すためのガス流路として兼用するように構成している。
【００６８】
（ガス供給手段）
【００６９】
本発明において好適に使用可能なガス供給手段の他の例を、図７の部分模式断面図に示す。この図７に示すようなガス供給手段を用いる場合のガス吹き出し穴の形状の例を、図８の模式平面図に示す。
【００７０】
図７を参照して、このようなガス供給手段の態様においては、反応ガスないｓプロセスガス（この例ではＣｘＦｙ）のみならず、不活性ガス（Ａｒ、Ｈｅ等）も、プラズマ処理室の中央部近傍から、該プラズマ処理室内に供給している。図８に示すガス吹き出し穴の直径は、プラズマの異常放電が生じにくいような径であることが好ましい。より具体的には、該直径はφ＝０．５ｍｍ〜０．３ｍｍ程度であることが好ましい。
【００７１】
図７においては、図９に模式平面図を示すような第１の流路部材６、第２の流路部材７、および第３の流路部材８が、図１０の模式斜視図に示すように配列して、ガス導入管（この例では、中心導体）中に配置されている（以下においては、このような流路部材を「コマ」と称する場合もある）。このように個々のガス流路を細くすることにより、高周波に基づくプラズマ異常放電を、より効果的に防止することができる。
【００７２】
第１の流路部材６及び第２の流路部材７は、各々絶縁材例えばテフロンを円柱状に加工し、一端側に外径より若干径が小さく、例えば深さが１ｍｍ程度の凹部６１、７１を形成すると共に、この凹部６１、７１の底面から他端側に多数の小径例えば１ｍｍ以下の径の通流孔６２、７２を軸方向に透設して構成されている。
図１９の模式断面図に、本発明において使用可能な第１、第２および第３の流路部材の配置の他の例を示す。この図１９に示す配置の例も、前述した図９および図１０に示した流路部材の構成に対応する。
【００７３】
（多孔性セラミックの使用）
【００７４】
上記した流路部材に穴を開ける代わりに、多孔性セラミックを使用して該流路部材を構成してもよい。この場合、セラミックとしては、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）、石英、ＡｌＮ、等が好適に使用可能である。この多孔性セラミックとしては、例えば、平均細孔径が１．５〜４０μｍ程度、気孔率が３０〜５０％程度ものが好ましい。市販品としては、例えば京セラ社製のアルミナ・セラミックである商品名ＦＡ−４（平均細孔径４０μｍ）、ＦＡ−１０（平均細孔径１．５μｍ）等が好適に使用可能である。
【００７５】
（ボールの使用）
【００７６】
上記した流路部材を使用する代わりに、図１１の模式断面図に示すように、セラミック製のボール（ないしビーズ）を使用してガス流路を構成してもよい。この場合、セラミックとしては、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）、石英、ＡｌＮ、等が好適に使用可能である。このボールとしては、例えば、直径が０．５〜３ｍｍ程度のものが好ましい。図１１においては、ガス導入管２１１には、下方へ向かうガス吹き出し口２１１ａが設けられている。
【００７７】
（ガス吹き出しの態様）
【００７８】
本発明においては、少なくとも１種類のガスを、プラズマ処理室内に突出させた位置から、該プラズマ処理室内に供給する限り、この供給すべきガスの種類、単独または複数のガスか否か、等は特に制限されない。プラズマ処理室内に複数種類のガスを供給する場合、該ガスのうちのいずれか１種類、いずれか２種類以上、ないしは全部をプラズマ処理室の中央部近傍からプラズマ処理室内に供給することができる。プラズマ処理の均一性に影響が大きいガス（例えば、いわゆる「反応ガス」ないし「プロセスガス」と称されるもの）をプラズマ処理室の中央部近傍から供給することが、本発明の効果を有利に発揮させる点から好ましい。
【００７９】
図１２に、本発明において好適に使用可能なガス供給方法の一態様を模式的に示す。
【００８０】
図１２を参照して、この態様においては、プラズマ処理室の中央部近傍からＡｒ等の（Ａ）プラズマ励起用の不活性ガス、およびＣ_４Ｆ_８等の反応ガスを供給している。プラズマ励起用ガス（Ａ）としては、例えば、Ａｒ、Ｈｅ、Ｋｒ、Ｘｅ等の希ガスないし不活性ガス、またはＯ_２等のガスを使用することができる。他方、プロセス用反応性ガス（Ｂ）としては、例えば、ＣｘＦｙ系ガス（Ｃ_４Ｆ_８、Ｃ_５Ｆ_８等）、３ＭＳ（トリメチルシラン）、ＴＭＣＴＳ（テトラメチルシクロテトラシロキサン）等のガスを使用することができる。例えば、ＣＦｘ膜等のＬｏｗ−ｋ（低誘電率）膜を成膜する場合には、Ｃ_４Ｆ_８＋Ａｒガスの組合せを使用することができる。
【００８１】
図１２に示すように、必要に応じて、プラズマ処理室の周辺部から、プラズマ励起用ガス（Ａ）および／又はプロセス用反応性ガス（Ｂ）を供給してもよい。
【００８２】
プラズマ励起用ガス（Ａ）は、図１２の（Ｓ−１）に示すように、電子温度の高い領域で横に向けて吹き出してもよく、また、（Ｕ−１）に示すように、電子温度の低い拡散プラズマ領域で上に向けて吹き出してもよい。他方、プロセス用反応性ガス（Ｂ）は、図１２に示すように、好適なプラズマ解離状態を与える処理室内の位置から、下向き、横向き、ないし斜め下向きに吹き出すことが好ましい。
【００８３】
（吹き出し口の具体的構成の例）
【００８４】
ガス導入管２１１から真下に向かってガスを吹き出す場合の具体的構成の例を、図１３の部分模式断面図に示す。この場合、異常放電を効果的に防止する点からは、図１３（ａ）に示すように、ガス導入管２１１の角部は丸めた方が好ましい。
【００８５】
この態様においては、図１３（ｂ）に示すように、５箇所のストレートな（真下方向に向かう）穴２１１ａが開けられている。この穴２１１ａの径は、異常放電が生じにくいよいうに、例えば、直径０．１〜０．５ｍｍφ程度にすることが好ましい。また、この穴２１１ａの長さは、１〜５ｍｍ程度（例えば、５ｍｍ程度）にすることが好ましい。
【００８６】
ガス導入管２１１から真下方向に向かって、および横方向に向かってガスを吹き出す場合の具体的構成の例を、図１４の部分模式断面図に示す。ガス導入管２１１は、例えば、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）、ＡｌＮ等から構成されることが好ましい。
この場合、異常放電を効果的に防止する点からは、図１４（ａ）に示すように、ガス導入管２１１の角部は丸めた方が好ましい。
【００８７】
この態様においては、図１４（ｂ）に示すように、１箇所のストレートな（真下方向に向かう）穴２１１ａと、４箇所の横方向に向かう穴２１１ａが開けられている。これらの穴２１１ａの径は、異常放電が生じにくいように、例えば、直径０．１〜０．５ｍｍφ程度にすることが好ましい。また、このストレートな穴２１１ａの長さは、１〜５ｍｍ程度（例えば、５ｍｍ程度）にすることが好ましい。
【００８８】
図１４において、横方向に向かう穴２１１ａを使用する代わりに、下斜め方向に向かう穴２１１ａを使用した例を、図１５の部分模式断面図に示す。この場合の斜めの角度は任意であるが、例えば、図１５に示す４５度程度とすることが好ましい。
【００８９】
ガス導入管２１１から供給すべき外側のガス（例えば、プラズマ励起用ガス）の吹き出し口を、絶縁板の直ぐ下に配置した場合の具体的構成の例を、図１６の部分模式断面図に示す。この場合、図１６（ａ）に示すように、穴２１１ａの径は、例えば、直径０．１〜０．５ｍｍφ程度にすることが好ましい。
【００９０】
図１６（ｂ）には、横方向に４箇所の穴２１１ａを配置した例を示しているが、この穴２１１ａの数は、例えば、３個以上のいずれの数（例えば、４個、または８個）でもよい。
【００９１】
ガス導入管２１１から供給すべき外側のガス（例えば、プラズマ励起用ガス）の吹き出し口を、最も下部まで下ろした場合の具体的構成の例を、図１７の部分模式断面図に示す。この場合、図１７（ａ）に示すように、穴２１１ａは、例えば、上向き（例えば、４５度の角度で）配置することが好ましい。図１７（ｂ）には、このような上向きに４箇所の穴２１１ａを配置した例を示しているが、この穴２１１ａの数は、例えば、３以上のいずれの数（例えば、４、または８）でもよい。
【００９２】
（プラズマ発生手段）
【００９３】
上記した本発明の各態様においては、いわゆる平面アンテナ部材を使用する例を中心に説明したが、本発明に従って、プラズマ処理室の中心部近傍から供給されたガスに基づくプラズマ励起が可能である限り、本発明において使用可能なプラズマ発生手段は特に制限されない。このように使用可能なプラズマ発生手段の例としては、ＩＣＰ（誘導結合プラズマ）、スポークアンテナ、マイクロ波プラズマ、等が挙げられる。発生するプラズマの均一性、密度、ないしは電子温度が比較的に低い（被処理体に対するダメージが少ない）点からは、上述した平面アンテナ部材を使用することが好ましい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のプラズマ処理装置の代表的な態様の一例を示す模式断面図である。
【図２】本発明のプラズマ処理装置に使用可能なガス導入部の一例を示す部分模式断面図である。
【図３】本発明のプラズマ処理装置に使用可能な温度調節装置の構成の一例を示すブロック図である。
【図４】本発明のプラズマ処理装置に使用可能なガス供給リングの構成の一例を示す模式図である。
【図５】本発明のプラズマ処理装置に使用可能な平面アンテナ部材の構成の一例を示す模式平面図である。
【図６】本発明のプラズマ処理装置に使用可能なプラズマの電子温度と絶縁板からの距離との関係の一例を示すグラフである。
【図７】本発明のプラズマ処理装置に使用可能なガス供給手段の構成の他の例を示す模式断面図である。
【図８】本発明のプラズマ処理装置に使用可能なガス供給手段のガス吹き出し口の構成の一例を示す模式平面図である。
【図９】本発明のガス供給手段において使用可能な流路部材（コマ）の構成の例を示す模式平面図である。
【図１０】図９の流路部材（コマ）の実際の配置の例を示す模式斜視図である。
【図１１】本発明のガス供給手段において使用可能なボールを詰めたガス導入管の構成の一例を示す模式断面図である。
【図１２】本発明のガス供給手段において使用可能なガス供給法の一例を示す模式断面図である。
【図１３】本発明のガス供給手段において使用可能なガス導入管の構成の他の例を示す模式断面図（ａ）および模式平面図（ｂ）である。
【図１４】本発明のガス供給手段において使用可能なガス導入管の構成の他の例を示す模式断面図（ａ）および模式平面図（ｂ）である。
【図１５】本発明のガス供給手段において使用可能なガス導入管の構成の他の例を示す模式断面図である。
【図１６】本発明のガス供給手段において使用可能なガス導入管の構成の他の例を示す模式断面図（ａ）および模式平面図（ｂ）である。
【図１７】本発明のガス供給手段において使用可能なガス導入管の構成の他の例を示す模式断面図（ａ）および模式平面図（ｂ）である。
【図１８】本発明において使用可能な導波管、同軸管（モード変換器）、および処理ガス導入を行うべき中心導体の配置の一態様を示す模式斜視図である。
【図１９】本発明において使用可能な第１、第２および第３の流路部材の配置の他の例を示す模式断面図である。

Claims (7)

1. 被処理体にプラズマ処理を行うための処理室と、
   該処理室にガスを供給するためのガス供給手段と、
   該ガスをプラズマ化するための高周波供給手段と、を少なくとも含むプラズマ処理装置であって、
   前記ガス供給手段が少なくとも１本のガス導入管を有し、
   且つ該ガス導入管の先端が、被処理体に対向する処理室内壁から処理室内に突出した位置に配置されており、
   複数のスロットを有する平面アンテナ部材を介して、前記高周波供給手段から前記処理室内に高周波が供給されていることを特徴とするプラズマ処理装置。
2. 前記ガス導入管の処理室内の先端の位置が、生成されるべきプラズマの拡散プラズマ領域に配置されている請求項１に記載のプラズマ処理装置。
3. 前記ガス導入管の処理室内の先端の位置が、電子温度１．６ｅＶ以下の位置に対応する請求項１又は２に記載のプラズマ処理装置。
4. 前記ガス導入管の処理室内の先端の位置が、被処理体のプラズマ処理に使用されるプラズマ電子温度（Ｔ_es）の１．６倍以下のプラズマ電子温度の位置に対応する請求項１〜３のいずれかに記載のプラズマ処理装置。
5. 前記ガス導入管の処理室内の先端の位置が、生成されるべきプラズマの高周波電界侵入長δを越える位置に対応する請求項１〜４のいずれかに記載のプラズマ処理装置。
6. 前記ガス導入管の処理室内の先端が、突出高さ５ｍｍ以上で処理室内に突出している請求項１〜５のいずれかに記載のプラズマ処理装置。
7. 被処理体にプラズマ処理を行うための処理室と、
   該処理室にガスを供給するためのガス供給手段と、
   該ガスをプラズマ化するための高周波供給手段とを少なくとも含むプラズマ処理装置であって、
   前記ガス供給手段が少なくとも１本のガス導入管を有し、
   且つ該ガス導入管の先端が、被処理体に対向する処理室内壁から処理室内に突出した位置に配置されており、
   前記高周波供給手段が同軸管を含み、且つ、該同軸管を構成する中心導体が前記ガス導入管であることを特徴とするプラズマ処理装置。

Images