JP2013140959A - プラズマ処理装置用の天板及びプラズマ処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】処理空間の水平面方向におけるプラズマ密度を均一化させることが可能なプラズマ処理装置、及び、これに用いる天板を提供する。
【解決手段】平面アンテナ部材のスロットから放射されるマイクロ波を処理容器内へ透過させて導入するためのプラズマ処理装置用の天板５６であって、天板５６の前記処理容器内を臨む面側において、天板５６の中心部を中心とした二重の円周の上に複数の凹部９２が形成され、凹部９２は等角度間隔で一の円に沿って配列された内側マイクロ波伝播制御凹部９２Ａと、一の円に沿って配列された外側マイクロ波伝播制御凹部９２Ｂと、を有し、内側マイクロ波伝播制御凹部９２Ａの数は前記スロットの数と同じ数に対応する。
【選択図】図１３

Description

本発明は、半導体ウエハ等に対してマイクロ波により生じたプラズマを作用させて処理を施す際に使用されるプラズマ処理装置及びこれに用いる天板に関する。

近年、半導体製品の高密度化及び高微細化に伴い半導体製品の製造工程において、成膜、エッチング、アッシング等の処理のためにプラズマ処理装置が使用される場合があり、特に、０．１〜１０Ｐａ程度の比較的圧力が低い高真空状態でも安定してプラズマを立てることができることからマイクロ波を用いて、高密度プラズマを発生させるマイクロ波プラズマ装置が使用される傾向にある。

このようなプラズマ処理装置は、特許文献１〜６等に開示されている。ここで、マイクロ波を用いた一般的なプラズマ処理装置を図１を参照して概略的に説明する。図１は従来の一般的なプラズマ処理装置を示す概略構成図である。

図１において、このプラズマ処理装置２は、真空引き可能になされた処理容器４内に半導体ウエハを載置する載置台６を設けており、この載置台６に対向する天井部にマイクロ波を透過する円板状の窒化アルミや石英等よりなる天板８を気密に設けている。

そして、この天板８の上面に厚さ数ｍｍ程度の円板状の平面アンテナ部材１０と、この平面アンテナ部材１０の半径方向におけるマイクロ波の波長を短縮するための例えば誘電体よりなる遅波材１２を設置している。この遅波材１２の上方には、内部に冷却水を流す冷却水流路が形成された天井冷却ジャケット１４が設けられており、遅波材１２等を冷却するようになっている。そして、平面アンテナ部材１０には多数の、例えば長溝状の貫通孔よりなるスロット１６が形成されている。このスロット１６は一般的には、同心円状に配置されたり、或いは渦巻状に配置されている。

そして、平面アンテナ部材１０の中心部に同軸導波管１８の内部導体２０を接続して図示しないマイクロ波発生器より発生した、例えば２．４５ＧＨｚのマイクロ波を導くようになっている。そして、マイクロ波をアンテナ部材１０の半径方向へ放射状に伝播させつつ平面アンテナ部材１０に設けたスロット１６からマイクロ波を放射させてこれを天板８に透過させて、下方の処理容器４内へマイクロ波を導入し、このマイクロ波により処理容器４内の処理空間Ｓにプラズマを立てて半導体ウエハＷにエッチングや成膜などの所定のプラズマ処理を施すようになっている。

特開平３−１９１０７３号公報 特開平５−３４３３３４号公報 特開平９−１８１０５２号公報 特開２００３−５９９１９号公報 特開２００４−１４２６２号公報 特開２００５−１００９３１号公報

ところで、上記したようなプラズマ処理装置を用いて、成膜やエッチング等のプラズマ処理を行う場合には、一般的には、プラズマ密度をウエハの面内方向に均一化して高い面内均一性を維持することが望まれる。そして、この処理容器内のプラズマの状態は、プロセス圧力やガス種等のプロセス条件に大きく依存しており、プロセス条件が種々変動してもプラズマ密度の面内均一性を常に高くすることが望まれる。

この場合、一般的には、平面アンテナ部材１０に形成されているスロット１６の分布や形状等を適当に変化させて、処理容器４内におけるプラズマ密度をできるだけ均一化しようとする試みがなされている。しかしながら、処理容器４内中のプラズマの挙動については制御が非常に難しく、上述したようにプロセス条件の僅かな変化により、プラズマの挙動が大きく変化してしまったり、隣接するスロット１６から導入されるマイクロ波同士が干渉したりし、この結果、プラズマ処理の面内均一性を十分に維持し得ない場合もあった。

特に、天板８を透過して処理容器４内に伝播したマイクロ波は、処理空間Ｓに形成されたプラズマによりその侵入が阻害されて、天板８の直下の平面方向へ表面波２２として伝播することになるが、この表面波２２は定在波となって伝播するので、この定在波に起因するプラズマ密度の偏りが常に発生することになり、所望するプラズマ密度分布の実現がかなり困難であった。

この場合、特許文献４〜６に示されるように、天板の表面に凹凸部を設けてプラズマ密度を制御することも検討されており、特に特許文献６のようにテーパ状の凹凸を天板の下面に設けた場合には、かなりプラズマ密度の均一性の改善を図ることができたが、それでも十分ではなく、上記マイクロ波の伝播効率はスロットの形状や配列パターン、特に天板の表面形状に強く依存するので最適化するのが困難であった。

特にウエハサイズが８インチから１２インチへと大口径化すると共に、更なる微細化及び薄膜化が推進されている今日において、上記した問題点の解決が強く望まれている。

本発明は、以上のような問題点に着目し、これを有効に解決すべく創案されたものである。本発明は、処理空間の水平面方向におけるプラズマ密度を均一化させることが可能なプラズマ処理装置及びこれに用いる天板を提供する。

本発明の一の態様によれば、
天井部が開口した真空引き可能な処理容器と、
プラズマ発生用のマイクロ波を発生するマイクロ波発生部と、
前記天井部の開口に設けられて前記処理容器内へ前記マイクロ波発生部からのマイクロ波を導入する複数のスロットを有する平面アンテナ部材と、
前記天井部の開口に気密に設けられて前記平面アンテナ部材のスロットから放射されるマイクロ波を前記処理容器内へ透過させて導入する天板と、
を備え、
前記天板は、
前記天板の前記処理容器内を臨む面側において、前記天板内部に向けて複数の凹部が形成され、
前記凹部は、
等角度間隔で一の円に沿って配列された内側マイクロ波伝播制御凹部と、
一の円に沿って配列された外側マイクロ波伝播制御凹部と、
を有し、
前記内側マイクロ波伝播制御凹部の数は前記スロットの数と同じ数に対応するプラズマ処理装置が提供される。

前記凹部の底部厚みが、マイクロ波の真空中の波長の０．１５倍以下であり、且つ、前記凹部の周辺の厚みがマイクロ波の真空中の波長の０．１５倍より大きくてもよい。

前記複数の凹部の底部に相当する部分の天板の厚さは、それぞれ同じになるように設定され、且つ、前記複数の凹部以外の部分である凸状部分の厚さが同じになるように設定されてもよい。

前記内側の凹部は、前記平面アンテナ部材のスロットから偏れて配置されてもよい。

本発明の他の態様によれば、
平面アンテナ部材のスロットから放射されるマイクロ波を処理容器内へ透過させて導入するためのプラズマ処理装置用の天板であって、
前記天板の前記処理容器内を臨む面側において、前記天板内部に向けて複数の凹部が形成され、
前記凹部は、
等角度間隔で一の円に沿って配列された内側マイクロ波伝播制御凹部と、
一の円に沿って配列された外側マイクロ波伝播制御凹部と、
を有し、
前記内側マイクロ波伝播制御凹部の数は、前記スロットの数と同じ数に対応するプラズマ処理装置用の天板が提供される。

前記凹部の底部厚みが、マイクロ波の真空中の波長の０．１５倍以下であり、且つ、前記凹部の周辺の厚み部がマイクロ波の真空中の波長の０．１５倍より大きくてもよい。

前記複数の凹部の底部に相当する部分の天板の厚さは、それぞれ同じになるように設定され、且つ、記複数の凹部以外の部分である凸状部分の厚さが同じになるように設定されてもよい。

本発明の実施形態によれば、処理空間の水平面方向におけるプラズマ密度を均一化させることが可能なプラズマ処理装置及びこれに用いる天板が提供される。

従来の一般的なプラズマ処理装置を示す概略構成図である。 本発明の一実施形態に係るプラズマ処理装置を示す構成図である。 図２に示すプラズマ処理装置の平面アンテナ部材を示す平面図である。 本発明の一実施形態に係る天板の第１実施例を示す斜視図である。 図４の天板を示す平面図である。 図５中のＡ−Ａ線に沿った断面図である。 図５中のＢ−Ｂ線の沿った断面図である。 天板と平面アンテナ部材のスロットとの位置関係を説明する図である。 天板と平面アンテナ部材のスロットとの他の位置関係を説明する図である。 マイクロ波の伝播形態をシミュレーションする時の天板のモデルを示す図である。 天板の厚さとマイクロ波の伝播係数がマイクロ波の伝播モードに与える影響を示すグラフである。 本発明の一実施形態に係る天板による電界分布のシミュレーション結果を示す図である。 本発明の一実施形態に係る天板による電界分布のシミュレーション結果を示す図である。 本発明の他の実施形態に係る天板を示す断面図である。 図１２の天板を示す平面図である。

以下に、本発明に係るプラズマ処理装置及びこれに用いる天板の好適な一の実施形態を添付図面に基づいて詳述する。

図２は本発明の一の実施形態に係るプラズマ処理装置を示す構成図、図３は図２に示すプラズマ処理装置の平面アンテナ部材を示す平面図、図４は本発明の一の実施形態に係る天板を示す斜視図、図５は図４の天板を示す平面図、図６Ａは図５中のＡ−Ａ線に沿った断面図、図６Ｂは図５中のＢ−Ｂ線に沿った断面図、図７は天板と平面アンテナ部材のスロットとの位置関係を説明する説明図である。

図示するようにこのプラズマ処理装置３２は、例えば側壁や底部がアルミニウム合金等の導体により構成されて、全体が筒体状、例えば円筒体状に成形された処理容器３４を有しており、内部は密閉された処理空間Ｓとして構成されて、この処理空間Ｓにプラズマが形成される。この処理容器３４自体は接地されている。

この処理容器３４内には、上面に被処理体としての例えば半導体ウエハＷを載置する載置台３６が収容される。この載置台３６は、例えばアルマイト処理したアルミニウム合金やセラミック材等により平坦になされた略円板状に形成されている。また、載置台３６は、容器底部より起立した支柱３８に支持されており、支柱３８は例えば絶縁性材料よりなる。

載置台３６の上面には、ここにウエハを保持するための静電チャック或いはクランプ機構（図示せず）が設けられる。尚、この載置台３６を例えば１３．５６ＭＨｚのバイアス用高周波電源に接続する場合もある。また必要に応じてこの載置台３６中に加熱用ヒータを設けてもよい。

処理容器３４の側壁には、ガス供給部４０として、この処理容器３４内にプラズマ用ガス、例えばアルゴンガスを供給する石英パイプ製のプラズマガス供給ノズル４２と、処理ガス、例えばデポジションガスを導入するための例えば石英パイプ製の処理ガス供給ノズル４４とが設けられている。これらのノズル４２、４４を通して、各ガスを流量を制御しつつ処理空間Ｓ内へ供給することができる。尚、ガス供給部４０として例えば石英製のシャワーヘッド等を載置台３６の上方に設けるようにしてもよい。

また、容器側壁には幅広の開口４６が設けられ、この開口４６に対して、処理空間Ｓ内にウエハを搬入・搬出する時に開閉するゲートバルブ４８が取り付けられている。また、容器底部には排気口５０が設けられ、この排気口５０には図示されない真空ポンプや圧力調整弁が介接された排気系５２が接続されている。この構成により、必要に応じて処理容器３４内を所定の圧力まで排気できるようになっている。

そして、処理容器３４は上部に開口を有し、この開口に天板５６が設けられる。この天板５６は、マイクロ波に対して透過性を有する例えば石英やセラミック材等より構成され、Ｏリング等のシール部材５８を介して、処理容器３４の上部の開口に気密に設けられる。この天板５６の厚さは耐圧性を考慮して例えば２０ｍｍ程度に設定される。そして、この天板５６の下面であって処理容器３４内に臨む面には、マイクロ波の伝播を制御する放射状のマイクロ波伝播制御突起部６０及び円形状突起部６２が設けられている。尚、この天板５６については後述する。

そして、この天板５６の上に円板状の平面アンテナ部材６４が設けられ、平面アンテナ部材６４に、高誘電率特性を有する遅波材６６が設けられる。具体的には、この平面アンテナ部材６４は、遅波材６６の上方全面を覆う導電性の中空円筒状容器よりなる導波箱６８の底板として構成され、天板５６を介して処理容器３４内の載置台３６に対向している。

この導波箱６８及び平面アンテナ部材６４は共に周辺部において接地される。また、導波箱６８の上部の中心には、同軸導波管７０の外管７０Ａが接続され、内側の内部導体７０Ｂは、遅波材６６の中心の貫通孔を通って平面アンテナ部材６４の中心部に接続される。そして、この同軸導波管７０は、モード変換器７２と、マッチング７４を途中に介設した矩形導波管７６とを順次介して、例えば２．４５ＧＨｚのマイクロ波発生器（マイクロ波発生部）７８に接続されている。この構成により、マイクロ波発生器７８から平面アンテナ部材６４へマイクロ波が伝播される。モード変換器７２は、矩形導波管７６と同軸導波管７０とよりなる導波管の途中に介設されることになる。

ここでマイクロ波発生器７８からは例えばＴＥモードのマイクロ波が放出され、これがモード変換器７２にて例えばＴＥＭモードに変換されて同軸導波管７０内を伝播されて行く。この周波数は２．４５ＧＨｚに限定されず、他の周波数、例えば８．３５ＧＨｚを用いてもよい。尚、導波箱６８の上部に図示しない天井冷却ジャケットを設けるようにしてもよい。

平面アンテナ部材６４は、処理容器３４内にて８インチサイズのウエハが処理される場合には、例えば直径が３００〜４００ｍｍ、厚みが１〜数ｍｍの導電性材料よりなる、例えば表面が銀メッキされた銅板或いはアルミ板よりなる。平面アンテナ部材６４には、図３にも示すように例えば長溝状の貫通孔よりなる多数のスロット８０が形成されている。このスロット８０の配置形態は、特に限定されず、例えば同心円状、渦巻状、或いは放射状に配置させてもよいし、アンテナ部材全面に均一になるように分布させてもよい。ここでは、例えば、図３に示すように、２つのスロット８０が互いに僅かに離間し、ほぼＬの字状に配置されて一対のスロット８０を形成している。また、アンテナ部材６４の内側部において６対のスロット８０が内円（図示せず）に沿って配置され、アンテナ部材６４の外側部において２４対のスロット８０が、上記の内円と同心円状の外円（図示せず）に沿って配置されている。なお、一対のスロット８０はＴ字状を呈していても良い。

ここで平面アンテナ部材６４の下に設けられる天板５６について詳しく説明する。前述したように、この天板５６の処理容器３４内を臨む面側、すなわち下面側にはマイクロ波の伝播を制御する放射状のマイクロ波伝播制御突起部６０と円形状突起部６２とが下方向へ突起させて設けられている。円形状突起部６２は、主として天板５６の半径方向へ放射状に伝播するマイクロ波を制御することができる。また、放射状のマイクロ波伝播制御突起部６０は、天板５６の周方向（半径方向と直交する方向）へ伝播するマイクロ波を制御することができる。これらの突起部６２、６０の相乗作用により、プラズマ密度の面内均一性の大幅な改善を期待することができる。

図４乃至図６にも示すように、円形状突起部６２として、天板５６の中央部に位置する円形の円錐台状の円形状突起部６２Ａと、天板５６の中周部に位置する断面が台形状になされたリング状の円形状突起部６２Ｂと、天板５６の周辺部に位置するリング状の円形状突起部６２Ｃとが設けられている。円形状突起部６２Ａ〜６２Ｃはそれぞれ必要に応じて設ければよく、プラズマ密度が疎になる部分においてプラズマ密度を高める必要があるときに設けるようにすればよい。尚、上記リング状の円形状突起部は１つでもよいし、更に必要に応じて２以上設けてもよい。

この場合、図５のＡ−Ａ線に沿った断面図である図６Ａにおいて、円形状突起部６２Ｂを設けた部分を伝播するマイクロ波と、これを設けていない部分を伝播するマイクロ波とでは、伝播するマイクロ波の電磁界の分布の形である伝播モードの種類の数が異なるように、円形状突起部６２Ｂを設けた部分の厚さＨ１と、これを設けていない部分の厚さ、すなわち天板５６自体の厚さＨ２とが設定されている。平面アンテナ部材６４の各スロット８０（図３）から放射されたマイクロ波が天板５６の半径方向へ伝播する際には、天板５６内で反射を繰り返して定在波となる。尚、外周の円形状突起部６２Ｃの厚さは、外周部のマイクロ波を強めるために、中周部の円形状突起部６２Ｂの厚さよりも少し厚くなされている。

この際、例えば厚さＨ１の部分においてはＴＭ０モードとＴＥ１モードの２種類のモードのマイクロ波が伝播し、厚さＨ２の部分においてはＴＭ０モードの１種類のモードのマイクロ波だけが伝播することができる。従って、ＴＭ０モードのマイクロ波のみが伝播する厚さＨ２の部分よりも、ＴＭ０モード及びＴＥ１モードのマイクロ波が伝播する厚さＨ１の部分において、マイクロ波強度が大きくなり、この部分のプラズマ密度を増大させることができる。

この場合、円形状突起部６２Ｂの幅Ｍ１（台形の上底の長さと下底の長さの平均値）は特に限定されないが、好ましくは天板５６中を伝播するマイクロ波の波長をλとすると、λ／１０〜λ／２の範囲内がよい。ここで各スロット８０から放射されたマイクロ波は、半径方向にも周方向にも伝播するが、半径方向への伝播が支配的となっている。換言すれば、マイクロ波の周方向への伝播強度よりも半径方向への伝播強度の方が大きい。このため主として半径方向へ伝播するマイクロ波を制御する円形状突起部６２は、テーパ形状（台形）をしていた方が電界分布の急激な変化が防止され、プラズマ密度の面内均一性を向上させることができる。上記した円形状突起部６２Ｂにおけるマイクロ波の伝播の態様（モード）は、他の円形状突起部６２Ａ、６２Ｃにおいても同じである。

また、図５にも示すように、天板５６の中心部を中心として放射状に複数本のマイクロ波伝播制御突起部６０、図示の例では、６本のマイクロ波伝播制御突起部６０が等角度間隔で設けられている。このマイクロ波伝播制御突起部６０の数は、２本では効果が少ないが、３本以上なら何本でもよく、好ましくは４本以上等角度で設けるのがよい。各マイクロ波伝播制御突起部６０は、図５中のＢ−Ｂ線に沿った断面図である図６Ｂに示すように、矩形状の断面を有している。尚、この断面形状を図６Ａに示すような台形状としてもよい。

この場合、マイクロ波伝播制御突起部６０を設けた部分の天板５６の厚さは、図６Ａに示す円形状突起部６２Ｂを設けた部分の天板５６の厚さと同じような考えに基づいて設定されている。

この場合、図６Ｂに示すように、マイクロ波伝播制御突起部６０を設けた部分を伝播するマイクロ波と、これを設けていない部分を伝播するマイクロ波とでは、伝播するマイクロ波の電磁界の分布の形である伝播モードの種類の数が異なるように、マイクロ波伝播制御突起部６０を設けた部分の厚さＨ３と、これを設けていない部分の厚さ、すなわち天板５６自体の厚さＨ２とがそれぞれ設定されている。平面アンテナ部材６４の各スロット８０から放射されたマイクロ波が天板５６の周方向（半径方向と直交する方向）へ伝播する際には、天板５６内で反射を繰り返して定在波となる。

この際、例えば厚さＨ３の部分においてはＴＭ０モードとＴＥ１モードの２種類のモードのマイクロ波が伝播し、厚さＨ２の部分においてはＴＭ０モードの１種類のモードのマイクロ波だけが伝播することができる。従って、ＴＭ０モードのみ伝播する厚さＨ２の部分よりも、ＴＭ０モードとＴＥ１モードが伝播する厚さＨ３の部分において、マイクロ波強度を大きくでき、この部分のプラズマ密度を向上させることができるようになっている。この場合、マイクロ波伝播制御突起部６０の幅Ｍ２（台形の場合は上底の長さと下底の長さの平均値）は天板５６中を伝播するマイクロ波の波長をλとすると、λ・１／１０〜λ・１／２の範囲内がよい。幅Ｍ２がλ・１／１０よりも狭い場合には、このマイクロ波伝播制御突起部６０を設けた作用効果を十分に発揮することができず、またλ・１／２よりも広い場合にも、同様にこのマイクロ波伝播制御突起部６０を設けた作用効果を十分に発揮することができない。

ここでマイクロ波伝播制御突起部６０を設けた部分と、これを設けていない部分との伝播モード数の差は１又は２となるように設定するのがよく、このモード数が３以上になると、電界分布を調整する作用が小さくなって、このマイクロ波伝播制御突起部６０を設けた作用効果が急激に低減してしまう。尚、本実施例の場合には厚さＨ１と厚さＨ３は同じ値に設定されている。本実施形態においては、例えば厚さＨ３は２５ｍｍ程度に設定され、厚さＨ２は１７ｍｍ程度に設定されている。

更に、本実施形態においては、６本のマイクロ波伝播制御突起部６０は、図７に示すように、この天板５６上に設置される平面アンテナ部材６４のスロット８０の位置に対応させて設けられている。具体的には、前述したように平面アンテナ部材６４には僅かに離間し互いにＴ字状に配置された複数の一対の２つのスロット８０が同心円状に配列されており、マイクロ波伝播制御突起部６０は、内側の同一円上に配列されたスロット８０の対８０Ａの位置に対応している。この理由は、天板５６を周方向に伝播するマイクロ波の電界強度はこの天板５６の外周側よりも内周側の方が大きいので、内周側のスロット８０の対８０Ａより放射されるマイクロ波をマイクロ波伝播制御突起部６０により効率的に制御するためである。

ただし、他の実施形態においては、図８に示すように、６本のマイクロ波伝播制御突起部６０がスロット８０の対８０Ａの間に位置しても良い。具体的には、図８に示す構成は、図７に示す構成における６本のマイクロ波伝播制御突起部６０を約３０°周方向に回転することにより得られる。このような場合であっても、マイクロ波伝播制御突起部６０は、天板５６の周方向へ伝播するマイクロ波を制御する効果を発揮することができる。

次に、以上のように構成されたプラズマ処理装置３２を用いて行なわれる処理方法について説明する。

まず、ゲートバルブ４８を介して半導体ウエハを搬送アーム（図示せず）により処理容器３４内に収容し、リフタピン（図示せず）を上下動させることによりウエハを載置台３６の上面の載置面に載置する。

そして、処理容器３４内を所定のプロセス圧力、例えば０．０１〜１０Ｐａ程度の範囲内に維持して、プラズマガス供給ノズル４２から例えばアルゴンガスを流量制御しつつ供給すると共に処理ガス供給ノズル４４から処理に応じて、例えば成膜処理であるならば成膜用ガスを、エッチング処理であるならばエッチングガスを流量制御しつつ供給する。

同時にマイクロ波発生器７８にて発生したマイクロ波を、矩形導波管７６及び同軸導波管７０を介して平面アンテナ部材６４に供給し、遅波材６６によって波長が短くされたマイクロ波を処理空間Ｓに導入し、これによりアルゴンを解離して処理空間Ｓにプラズマを発生させて所定のプラズマ処理を行う。

ここで、マイクロ波発生器７８にて発生した例えば２．４５ＧＨｚのＴＥモードのマイクロ波は矩形導波管７６を伝播した後に、モード変換器７２にてＴＥＭモードへ変換され、このＴＥＭモードのマイクロ波は上記したように同軸導波管７０内を伝播して導波箱６８内の平面アンテナ部材６４に到達する。次いで、このマイクロ波は、内部導体７０Ｂが接続された円板状の平面アンテナ部材６４の中心部から放射状に周辺部に伝播されるとともに、この平面アンテナ部材４６に多数形成されたスロット８０から天板５６側へ伝播する。その後、このマイクロ波は、天板５６内を半径方向へ放射状に伝播するとともに、周方向（半径方向と直交する方向）へも伝播し、この伝播途中で天板５６を透過して下方の処理空間Ｓへ導入される。このマイクロ波により励起されたアルゴンガスがプラズマ化し、この下方に拡散してここで処理ガスを活性化して活性種を作り、この活性種の作用でウエハＷの表面に所定のプラズマ処理が施されることになる。

ここで従来装置のように天板８（図１参照）の表面形状が完全に平坦である場合には、天板８の平面方向において伝播するマイクロ波に定在波が生じていた。このためプラズマ密度に偏りが生じ、またマイクロ波同士が干渉し合って処理容器４（図１参照）内のプロセス条件の僅かな変動等によって処理容器４内のプラズマ密度の面内均一性がかなり変動し、この結果、プラズマ処理の面内均一性に悪影響を及ぼしていた。

これに対して、天板５６内を中心部より放射状に伝播するマイクロ波に関しては、本実施形態においては、円形状突起部６２を設けた部分を伝播するマイクロ波と、円形状突起部６２を設けていない部分を伝播するマイクロ波とで、伝播するマイクロ波の電磁界の分布の形、すなわち伝播モードの種類の数が異なるように、天板５６の円形状突起部６２を設けた部分の厚さＨ１と、天板５６の円形状突起部６２を設けていない部分の厚さＨ２とがそれぞれ設定されている（図６Ａ参照）。

換言すれば、円形状突起部６２を設けた厚さＨ１の天板５６の部分を伝播するマイクロ波と円形状突起部６２を設けていない厚さＨ２の天板５６の部分を伝播するマイクロ波とでは、その伝播モードの種類の数が異なるように各厚さＨ１、Ｈ２がそれぞれ設定されている。例えば厚さＨ１の部分では、２種類のモードのマイクロ波（ＴＭ０モードのマイクロ波ＴＭ０とＴＥ１モードのマイクロ波ＴＥ１）が伝播し、厚さＨ２の部分では、１種類のモードのマイクロ波（ＴＭ０モードのマイクロ波ＴＭ０）だけが伝播することができる。従って、ＴＭ０モードのマイクロ波のみ伝播する厚さＨ２の部分よりも、ＴＭ０モード及びＴＥ１モードのマイクロ波が伝播する厚さＨ１の部分において、マイクロ波強度を大きくでき、この部分のプラズマ密度を向上させることができる。

図１に示すような一般的な平坦な天板８では、天板８の中周部や周辺部のプラズマ密度が低くなる傾向にあるが、ウエハ面内方向におけるプラズマ密度の均一性を目的として、本実施形態のように天板５６の中周部や周辺部に円形状突起部６２を設けることにより、この部分のマイクロ波の強度を上げてプラズマ密度を選択的に向上させることができる。したがって、ウエハ面内方向（処理空間Ｓの水平面方向）におけるプラズマ密度の均一性を向上させることができる。

また、天板５６内の周方向（半径方向と直交する方向）へ伝播するマイクロ波に関しては、放射状にマイクロ波伝播制御突起部６０を設けた部分を伝播するマイクロ波とマイクロ波伝播制御突起部６０を設けていない部分を伝播するマイクロ波とでは、伝播するマイクロ波の電磁界の分布の形、すなわち伝播モードの種類の数が異なるように天板５６のマイクロ波伝播制御突起部６０を設けた部分の厚さＨ３及び天板５６のマイクロ波伝播制御突起部６０を設けていない部分の厚さＨ２がそれぞれ設定されている（図６Ｂ参照）。

換言すれば、マイクロ波伝播制御突起部６０を設けた厚さＨ３の天板５６の部分を伝播するマイクロ波とマイクロ波伝播制御突起部６０を設けていない厚さＨ２の天板５６の部分を伝播するマイクロ波とでは、その伝播モードの種類の数が異なるように厚さＨ３、Ｈ２がそれぞれ設定されている。

例えば厚さＨ３の部分では、２種類のモードのマイクロ波（ＴＭ０モードのマイクロ波ＴＭ０とＴＥ１モードのマイクロ波ＴＥ１）が伝播し、厚さＨ２の部分では、１種類のモードのマイクロ波（ＴＭ０モードのマイクロ波ＴＭ０）だけが伝播することができる。従って、ＴＭ０モードのマイクロ波のみが伝播する厚さＨ２の部分よりも、ＴＭ０モード及びＴＥ１モードのマイクロ波が伝播する厚さＨ３の部分においてマイクロ波強度を大きくでき、この部分のプラズマ密度を向上させることができる。

従って、天板５６の周方向に伝播するマイクロ波の強度を制御することができ、プロセス圧力やガス種等のプロセス条件に依存することなくプラズマ密度の面内均一性を高めることができる。特に、マイクロ波パワーが低い場合にプラズマ密度の偏りを改善することができる。

このように、天板５６の処理容器３４内を臨む面側に、マイクロ波の伝播を制御するために放射状に複数本のマイクロ波伝播制御突起部６０を設けるように構成することにより、天板５６の周方向へ伝播するマイクロ波を制御することができ、処理空間Ｓの水平面方向におけるプラズマ密度を均一化させることができる。

また、円形状突起部６２とマイクロ波伝播制御突起部６０の双方を設けることにより、天板５６の周方向へ伝播するマイクロ波のみならず、半径方向へ伝播するマイクロ波も制御することができ、両者の相乗作用により処理空間Ｓの水平面方向におけるプラズマ密度を一層均一化させることができる。

尚、上記実施例において、円形状突起部６２を設けないで、放射状のマイクロ波伝播制御突起部６０のみを設けるようにしてもよい。この場合であっても、天板５６を周方向に伝播するマイクロ波を制御できるため、例えば従来装置における一様に平坦な平板８（図１）に比べ、プラズマ密度の面内均一性を改善することができる。

ここで、円形状突起部６２やマイクロ波伝播制御突起部６０におけるマイクロ波の伝播形態について、図９及び図１０を参照して説明する。図９はマイクロ波の伝播形態をシミュレーションする場合の天板のモデルを示す図、図１０は天板の厚さとマイクロ波の伝播定数がマイクロ波の伝播モードに与える影響を示すグラフである。

図９を参照すると、このモデルでは、誘電体よりなる天板５６上にスロット８０を有するグランド板９０が接合されている。ここでマイクロ波は天板５６と真空との界面で表面波として伝播すると仮定しており、マイクロ波は誘電体表面から離れるに従って指数関数的に減衰する。また垂直方向（紙面垂直方向）へは天板５６が無限に延びているものと仮定している。

図中の各符号は次のように定義される。
Ｚ：伝播方向
ｘ：誘電体（天板）表面に対して垂直な方向
ε_ｒ：誘電体（天板）の比誘電率
ε_０：真空中の誘電率
ｄ：誘電体の厚さ

本モデルよりＴＭモード及びＴＥモードの伝播のための厚さ限界を求める。求める厚さ限界は下記の数式群（１）で定義される。

β：伝播定数
ここで、ＴＭモードの境界条件は下記の数式群（２）で表される。

また、ＴＥモードの境界条件は下記の数式群（３）で表される。

上記モデルを解析することによって図１０に示すようなグラフが得られる。図１０において横軸に“ｄ／λ_０”を取り、縦軸には“β／ｋ_０”を取っており、マイクロ波の伝播モードに関してはＴＭ０〜ＴＭ２及びＴＥ１〜ＴＥ３を検討対象としている。ここで、“ｄ”は天板５６の厚さを示し、“λ_０”はマイクロ波の真空中の波長を示している。したがって、横軸の“ｄ／λ_０＝１”は、天板５６がマイクロ波の１波長に相当する厚さｄを有していることを示す。なお、２．４５ＧＨｚのマイクロ波の場合、λ_０＝１２２ｍｍ程度である。

図１０は、天板５６が石英（比誘電率ε_ｒ＝３．７８）で形成されているという前提の下に求めた計算結果を示すが、天板５６が他の誘電体、例えばアルミナ等で形成される場合も、数値は異なるが、図１０に示す特性と同様な特性を示す。

また“β”はマイクロ波の伝播定数であり、“ｋ_０”は波数である。ここで“β／ｋ_０”により伝播定数を規格化（標準化）している。また、縦軸上の値が大きい程、マイクロ波を効率良く伝播し、“β／ｋ_０≦１”の領域では、マイクロ波は減衰し、もはや伝播することができなくなる。すなわち、各伝播モードの曲線と“β／ｋ_０＝１”の交点で定まる“ｄ”が、対応する伝播モードについてのカットオフ厚みとなる。

例えばＴＭ０モードの曲線は、“β／ｋ_０＝１”との交点が“ｄ／λ_０＝０”であるので、カットオフ天板厚みｄは“０”（ｄ＝０）である。すなわち、ＴＭ０モードのマイクロ波は、天板５６がどんな厚みでも伝播することができる。

また、ＴＥ１モードの曲線は、“β／ｋ_０＝１”との交点が“ｄ／λ_０≒０．１５”なので、カットオフ天板厚みｄは“１８．３ｍｍ”（ｄ＝０．１５×λ_０）である。すなわち、天板５６の厚さｄを１８．３ｍｍよりも小さくすると、ＴＭ０モードのマイクロ波は伝播するが、ＴＥ１モードのマイクロ波は伝播しないことになる。

従って、例えば“ｄ／λ_０＝０．５”となるように天板厚さｄ（＝６１ｍｍ）を設定すれば、ＴＭ０、ＴＥ１、ＴＭ１、ＴＥ２の４種類のモードのマイクロ波は伝播するが、ＴＭ２及びＴＥ３の２種類の各モードのマイクロ波は伝播しない。従って、天板５６の厚さｄを部分的に変化させれば、厚さｄに対応したモード数のマイクロ波を伝播できることになる。

ここで、図１０中の各伝播モード（比誘電率“３．７８”の石英を伝播するマイクロ波）の曲線と“β／ｋ_０＝１”の横軸との交点の正確な値を示すと、ＴＭ０モードは“０”、ＴＥ１モードは“０．１４９９”、ＴＭ１モードは“０．２９９９”、ＴＥ２モードは“０．４４９８”、ＴＭ２モードは“０．５９９８”、ＴＥ３モードは“０．７４９７”である。

また、天板５６を比誘電率が“９．８”のアルミナで形成する場合、各伝播モードの曲線と“β／ｋ_０＝１”の横軸との交点の正確な値を示すと、ＴＭ０モードは“０”、ＴＥ１モードは“０．０８４３”、ＴＭ１モードは“０．１６８５”、ＴＥ２モードは“０．２５２８”、ＴＭ２モードは“０．３３７１”、ＴＥ３モードは“０．４２１４”である。

そして、本実施形態においては、天板５６のマイクロ波伝播制御突起部６０が放射状に設けられた部分の厚さＨ３（図６Ｂ）を、図１０中の横軸とＴＥ１モード曲線との交点である“０．１５”から、横軸とＴＭ１モード曲線との交点である“０．３”までの範囲にある点Ｐ１に等しくなるように定め、天板５６自体の厚さＨ２（図６Ｂ）を、横軸とＴＭ０モード曲線との交点である“０”から、横軸とＴＥ１モード曲線との交点である“０．１５”までの範囲にある点Ｐ２に等しくなるように定めている。これにより、先に説明したように、天板５６の半径方向に放射状に伝播するマイクロ波に関しては、天板５６における厚さＨ３（Ｐ１）を有する部分では２つのモード（ＴＥ１モードとＴＭ０モード）のマイクロ波が伝播し、一方、天板５６における厚さＨ２を有する部分では１つのモード（ＴＭ０モード）のマイクロ波が伝播することになる。すなわち、マイクロ波が伝播する場所に応じて、マイクロ波のモードの種類の数が異なることになり、本実施形態では、その差は１つである。

この場合、図１０中における点Ｐ１、Ｐ２は任意の点であって良く、その位置に応じて伝播できる伝播モードの種類を変えることができる。尚、平面アンテナ部材６４に入力される必要な種類の伝播モードのマイクロ波は、遅波材６６や同軸導波管７０を用いない場合には、モード変換器７２にてモード変換により発生させてもよい。

ここで、本発明の実施形態による天板５６を用いて行った、電界分布のシミュレーションの結果について説明する。図１１Ａ及び１１Ｂは、本発明の実施形態による天板における電界分布のシミュレーション結果を示す図であり、色が濃い部分ほど高いプラズマ密度を有していることを示している。図１１Ａはマイクロ波伝播制御突起部６０を設けないで円形状突起部６２のみを設けた場合を示し、図１１Ｂはマイクロ波伝播制御突起部６０と円形状突起部６２の両方を設けた場合を示す。マイクロ波の周波数は２．４５ＧＨｚ、処理容器３４（図２）内の圧力は２０ｍＴｏｒｒ（２．７Ｐａ）、プラズマガスはＡｒとした。また、天板５６の厚さに関して、Ｈ１＝２５ｍｍ、Ｈ２＝１７ｍｍ、Ｈ３＝２５ｍｍにそれぞれ設定した。

図１１Ａに示すように、天板５６に円形状突起部６２のみを設けた場合には、プラズマ密度は平面方向へ略全域に広がって、プラズマ密度の良好な面内均一性が実現されているが、密度の高い部分と低い部分との差が比較的大きくなっており、プラズマ密度の面内均一性に改善の余地がある。

これに対して、図１１Ｂに示すように、天板５６に円形状突起部６２に加えてマイクロ波伝播制御突起部６０を設けた場合には、プラズマ密度の差が特に周方向において低減されており、プラズマ密度の面内均一性を大幅に向上できることが確認された。

尚、本実施形態においては天板５６に円形状（リング状を含む）や放射状の突起部６０、６２を形成するようにしたが、これに代えて、他の実施形態では、図１２及び図１３に示すように天板５６にマイクロ波伝播制御凹部を形成してもよい。図１２は、本発明の他の実施形態による天板を示す断面図、図１３はこの天板の平面図である。

図示するように、例えば石英等よりなる天板５６の下面（処理容器内を臨む面）に複数のマイクロ波伝播制御凹部９２が設けられている。マイクロ波伝播制御凹部９２は円形の平面形状を有している。また、複数のマイクロ波伝播制御凹部９２は、一の円に沿って配列された内側マイクロ波伝播制御凹部９２Ａと、当該一の円に対して外側で同心円となる他の円に沿って配列された外側マイクロ波伝播制御凹部９２Ｂとを含む。ここでは内側マイクロ波伝播制御凹部９２Ａの直径は外側マイクロ波伝播制御凹部９２Ｂの直径よりも大きく設定しているが、この大きさを同じにしてもよく、特には限定されない。

そして、６個の内側マイクロ波伝播制御凹部９２Ａが等角度間隔で一の円に沿って配列されている。この場合、この内側マイクロ波伝播制御凹部９２Ａは平面アンテナ部材６４のスロット８０（図３、図７参照）から偏れて配置されている。また、１８個の外側マイクロ波伝播制御凹部９２Ｂが、上記の他の円に沿って配列されている。また、隣り合う３つの外側マイクロ波伝播制御凹部９２Ｂが互いに近接して一つの群９６が構成され、天板５６には全体で６個の群９６がある。この群９６同士は、ある程度の距離Ｈ５だけ離間して配列されている。

このように構成される天板５６では、隣り合う２つの内側マイクロ波伝播制御凹部９２Ａ間の部分と、群９６の間の部分とにおいて、図５で説明した放射状のマイクロ波伝播制御突起部６０（図５参照）に相当する凸状部９４が擬似的に形成されることになる。すなわち、凸状部９４は、放射状のマイクロ波伝播制御突起部６０（図５参照）と同様に、天板５６の周方向へ伝播するマイクロ波を制御することができる。

また、天板５６の中心の部分は、図５中の円形状突起部６２Ａに擬似的に対応し、内側マイクロ波伝播制御凹部９２Ａと外側マイクロ波伝播制御凹部９２Ｂとの間のリング状の部分は図５中の中周部に位置する円形状突起部６２Ｂに擬似的に対応し、外側マイクロ波伝播制御凹部９２Ｂの外側のリング状の部分は図５中の外周部に位置する円形状突起部６２Ｃに擬似的に対応することになる。したがって、図１３の天板５６においても、天板５６の半径方向へ放射状に伝播するマイクロ波を制御する効果を発揮することができる。

この場合、図１２に示すように、内側マイクロ波伝播制御凹部９２Ａや外側マイクロ波伝播制御凹部９２Ｂの底部に相当する部分の天板５６の厚さは、図６に示す厚さＨ２と同じになるように設定され、また、それ以外の部分、すなわち擬似的に凸部と見なされる部分の厚さは図６に示す厚さＨ１或いはＨ３と同じになるように設定される。

したがって、この実施形態の場合にも、天板５６に、先の実施形態で説明したマイクロ波伝播制御突起部６０や円形状突起部６２（図５参照）が擬似的に形成されることになるので、前述と同様な作用効果を発揮することができる。この実施形態の場合には、円板状の石英板を削り加工して円形状の凹部を形成するだけで天板５６を製造することができるので、先の実施形態の場合と比較して容易に製造することができる。

尚、この実施形態ではマイクロ波伝播制御凹部９２は２重のリング状に配列したが、これに限定されず、３重以上のリング状に配列してもよい。

更に、この実施形態の場合には、マイクロ波の強度が大きくなる最内周側のマイクロ波伝播制御凹部９２Ａは同一の円周上にリング状に配列するのが好ましいが、それよりも外側のマイクロ波搬送制御凹部９２Ｂはリング状ではなく、ランダムに配置するようにしてもよい。

先行する実施形態においては、マイクロ波伝播制御突起部６０及び円形状突起部６２、又はマイクロ波伝播制御凹部９２を天板５６に設けて、天板５６の厚さ（マイクロ波の伝播断面の高さ）を変えることにより、天板５６を伝播するマイクロ波のモードの種類の数を厚さに応じて変更し、これにより、平面アンテナ部材６４から天板５６を通して処理容器３４内に導入されるマイクロ波の密度を水平面において均一化している。しかし、天板５６を伝播するマイクロ波のモードの種類の数を、異なる誘電率を有する２以上の誘電材料で天板５６を作製することにより、変更することも可能である。例えば、一の誘電率を有する一の材料から構成される円板に所定の平面形状を有する溝（凹部）を形成し、この溝（凹部）を他の誘電率を有する他の材料で埋め込むことにより、天板５６を作製することができる。この場合、適切なマイクロ波の強度分布を得るため、用いる材料、並びに溝（凹部）の平面形状及び深さは、上述のモデルを参照することにより決定することが可能である。また、この溝（凹部）は、この天板５６の下面（処理容器３４内を臨む面）及び上面（下面に対向する面）のいずれか又は双方に形成して良い。

また、天板５６に設けられたマイクロ波伝播制御突起部６０及び円形状突起部６２（図４、図５）を、天板５６自体の材料と異なる材料で形成しても良い。さらに、マイクロ波伝播制御突起部６０及び円形状突起部６２が互いに異なる誘電率を有して良く、天板５６、マイクロ波伝播制御突起部６０、及び円形状突起部６２が互いに異なる誘電率を有しても良い。これらによれば、例えば図１１Ｂに示した結果と同様の結果を得つつ、天板５６、マイクロ波伝播制御突起部６０、及び円形状突起部６２を同じ材料で形成する場合に比べ、厚さＨ１（図６Ａ）及び厚さＨ３（図６Ｂ）を小さくすることができ、プラズマ装置の設計自由度を向上することが可能となる。

なお、天板５６、マイクロ波伝播制御突起部６０、及び円形状突起部６２の好適な材料の例としては、これらには限定されないが、石英、アルミナ、窒化アルミニウム、窒化シリコンがある。

また、ここでは被処理体として半導体ウエハを例にとって説明したが、これに限定されず、ガラス基板、ＬＣＤ基板、セラミック基板等にも本発明を適用することができる。

３２ プラズマ処理装置
３４ 処理容器
３６ 載置台
４０ ガス供給部
５６ 天板
６０ マイクロ波伝播制御突起部
６２ 円形状突起部
６４ 平面アンテナ部材
７８ マイクロ波発生器（マイクロ波発生部）
９２ マイクロ波伝播制御凹部
Ｗ 半導体ウエハ（被処理体）

Claims (7)

1. 天井部が開口した真空引き可能な処理容器と、
   プラズマ発生用のマイクロ波を発生するマイクロ波発生部と、
   前記天井部の開口に設けられて前記処理容器内へ前記マイクロ波発生部からのマイクロ波を導入する複数のスロットを有する平面アンテナ部材と、
   前記天井部の開口に気密に設けられて前記平面アンテナ部材のスロットから放射されるマイクロ波を前記処理容器内へ透過させて導入する天板と、
   を備え、
   前記天板は、
   前記天板の前記処理容器内を臨む面側において、前記天板内部に向けて複数の凹部が形成され、
   前記凹部は、
   等角度間隔で一の円に沿って配列された内側マイクロ波伝播制御凹部と、
   一の円に沿って配列された外側マイクロ波伝播制御凹部と、
   を有し、
   前記内側マイクロ波伝播制御凹部の数は前記スロットの数と同じ数に対応するプラズマ処理装置。
2. 前記凹部の底部厚みが、マイクロ波の真空中の波長の０．１５倍以下であり、且つ、前記凹部の周辺の厚みがマイクロ波の真空中の波長の０．１５倍より大きい請求項１に記載のプラズマ処理装置。
3. 前記複数の凹部の底部に相当する部分の天板の厚さは、それぞれ同じになるように設定され、且つ、前記複数の凹部以外の部分である凸状部分の厚さが同じになるように設定される請求項１又は２に記載のプラズマ処理装置。
4. 前記内側の凹部は、前記平面アンテナ部材のスロットから偏れて配置されている請求項１〜３のいずれか１項に記載のプラズマ処理装置。
5. 平面アンテナ部材のスロットから放射されるマイクロ波を処理容器内へ透過させて導入するためのプラズマ処理装置用の天板であって、
   前記天板の前記処理容器内を臨む面側において、前記天板内部に向けて複数の凹部が形成され、
   前記凹部は、
   等角度間隔で一の円に沿って配列された内側マイクロ波伝播制御凹部と、
   一の円に沿って配列された外側マイクロ波伝播制御凹部と、
   を有し、
   前記内側マイクロ波伝播制御凹部の数は、前記スロットの数と同じ数に対応するプラズマ処理装置用の天板。
6. 前記凹部の底部厚みが、マイクロ波の真空中の波長の０．１５倍以下であり、且つ、前記凹部の周辺の厚み部がマイクロ波の真空中の波長の０．１５倍より大きい請求項５に記載のプラズマ処理装置用の天板。
7. 前記複数の凹部の底部に相当する部分の天板の厚さは、それぞれ同じになるように設定され、且つ、記複数の凹部以外の部分である凸状部分の厚さが同じになるように設定される請求項５又は６に記載のプラズマ処理装置用の天板。