JP5728565B2 - プラズマ処理装置及びこれに用いる遅波板 - Google Patents

Description

本発明は、処理容器へ所定周波数の電磁波を導き、プラズマを生成させて被処理体をプラズマ処理するプラズマ処理装置及びこれに用いる遅波板に関する。

半導体ウエハなどの被処理体に対し、例えば酸化処理や窒化処理、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）処理などのプラズマ処理を行うプラズマ処理装置として、複数のスロットを有する平面アンテナを用いて処理容器内にマイクロ波を導入してプラズマを生成させるスロットアンテナ方式のプラズマ処理装置が知られている。このようなマイクロ波プラズマ処理装置では、処理容器内で高密度の表面波プラズマを生成させることが可能である。

次世代以降のデバイス開発に向けて、例えば３次元デバイス加工や微細化への対応を図りながら生産性を向上させるためには、大型の基板を処理する場合でも、基板面内における処理の均一性を確保する必要がある。そのためには、基板に対応して大型化する処理容器内で、生成するプラズマ分布の制御性を向上させる必要がある。

上記スロットアンテナ方式のプラズマ処理装置において、処理容器内で生成したプラズマの分布の制御は、スロットの形状や配置、処理容器やマイクロ波透過板の形状設計などにより行われていた。例えば、処理内容に応じてプラズマの分布を変えるためには、異なるスロット形状や配置の平面アンテナに交換することが必要であるが、この平面アンテナの交換は手間と時間を要する大掛かりな作業であった。また、平面アンテナ、処理容器などの製作公差、組み立て誤差、同一仕様の装置間での機差などの諸要因により、処理容器内でプラズマの対称性が崩れプラズマ分布が偏心した場合も、これを簡易な方法で補正する手段がなかったため、平面アンテナの交換などの大掛かりな装置改変が必要になってしまうという問題があった。

本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、処理容器内で生成するプラズマの分布を簡易な手段で制御できるプラズマ処理装置を提供することである。

上記課題を解決するため、本発明のプラズマ処理装置は、被処理体を収容する真空引き可能な処理容器と、
電磁波発生装置で発生した電磁波を前記処理容器内に導入する平面アンテナ部材と、
前記電磁波を前記平面アンテナ部材へ供給する導波管と、
前記平面アンテナ部材の上に重ねて設けられ、前記導波管から供給された前記電磁波の波長を変化させる遅波板と、
前記遅波板及び前記平面アンテナ部材を上方から覆うカバー部材と、
を備え、
前記遅波板は、誘電体により構成されるとともに、第１の部材と、前記平面アンテナ部材の上面と平行な断面の面積が前記第１の部材よりも大きな第２の部材と、を含み、前記第１の部材と前記第２の部材がこれらの厚み方向に重ねて配置され、前記第２の部材の直上又は直下の領域であって前記第１の部材が存在する部分以外に空気層を形成することによって、前記平面アンテナ部材と前記カバー部材との間の領域の誘電率が、前記平面アンテナ部材の上面と平行な断面において、非均一である。

また、本発明のプラズマ処理装置において、前記第１の部材が前記平面アンテナ部材に接触して配置され、前記第２の部材が前記第１の部材上に重ねて配置されていてもよく、あるいは、前記第２の部材が前記平面アンテナ部材に接触して配置され、前記第１の部材が前記第２の部材上に重ねて配置されていてもよい。

また、本発明のプラズマ処理装置は、前記第１の部材と前記第２の部材が同じ材質で構成されていてもよいし、あるいは、異なる材質で構成されていてもよい。

本発明の遅波板は、上記いずれかの構成を備えているものである。

本発明によれば、誘電体により構成される遅波板を、平面アンテナ部材とカバー部材との間の領域の誘電率が平面アンテナ部材の上面と平行な断面において変化するように構成したので、電磁波の波長を制御して、平面アンテナ部材を交換しなくとも処理容器内におけるプラズマ分布を制御することができる。従って、処理容器内で所望の分布でプラズマを安定的に維持することができる、という効果を奏する。また、基板の大型化に対応して処理容器を大型化させた場合でも、遅波板の構成を変えることによって、処理容器内で生成するプラズマ分布を簡単に調節できる。

本発明の第１の実施の形態に係るプラズマ処理装置の構成例を示す概略断面図である。 平面アンテナ板の平面図である。 本発明の第１の実施の形態における遅波板の配置を示す外観斜視図である。 図３の遅波板の平面図である。 遅波板の装着状態を示すプラズマ処理装置の要部断面図である。 第１の実施の形態の遅波板の変形例を示す平面図である。 第１の実施の形態の遅波板の別の変形例を示す平面図である。 第１の実施の形態の遅波板のさらに別の変形例を示す平面図である。 第１の実施の形態の遅波板のさらに別の変形例を示す平面図である。 図１のプラズマ処理装置の制御系統の概略構成を示すブロック図である。 本発明の第２の実施の形態に係る遅波板の平面図である。 第２の実施の形態に係る遅波板の変形例を示す平面図である。 第２の実施の形態に係る遅波板の別の変形例を示す平面図である。 本発明の第３の実施の形態における遅波板の配置を示す外観斜視図である。 図１４の遅波板の装着状態を示すプラズマ処理装置の要部断面図である。 第３の実施の形態の遅波板の変形例を示すプラズマ処理装置の要部断面図である。 本発明の第４の実施の形態における遅波板の装着状態を示すプラズマ処理装置の要部断面図である。 第４の実施の形態における遅波板の別の装着状態を示すプラズマ処理装置の要部断面図である。 本発明の第５の実施の形態に係る遅波板の平面図である。 第５の実施の形態に係る遅波板の変形例を示す平面図である。 シミュレーション実験における透過板直下における電界強度分布を示す図面である。 シミュレーション実験における透過板直下における電界強度分布を示す図面である。

［第１の実施の形態］
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。図１は、本発明の第１の実施の形態に係るプラズマ処理装置１００の構成例を模式的に示す断面図である。図２は、図１のプラズマ処理装置１００に用いられる平面アンテナを示す平面図である。プラズマ処理装置１００は、複数のスロット状の孔を有する平面アンテナ、特に、radial line slot antenna（ラジアルラインスロットアンテナ）にて処理容器内にマイクロ波を導入してプラズマを発生させることにより、高密度かつ低電子温度のプラズマを発生させ得るプラズマ処理装置として構成されている。プラズマ処理装置１００では、１０^９／ｃｍ^３〜１０^１３／ｃｍ^３のプラズマ密度で、かつ２ｅＶ以下の低電子温度を有するプラズマによる処理が可能である。従って、プラズマ処理装置１００は、各種半導体装置の製造過程において好適に利用できるものである。

プラズマ処理装置１００は、主要な構成として、気密に構成された処理容器１と、処理容器１内にガスを供給するガス供給装置１８と、このガス供給装置１８に接続するガス導入部１５と、処理容器１内を減圧排気するための排気装置２４と、処理容器１の上部に設けられ、処理容器１内にマイクロ波を導入するマイクロ波導入機構２７と、これらプラズマ処理装置１００の各構成部を制御する制御手段としての制御部５０と、を備えている。なお、ガス供給装置１８、排気装置２４およびマイクロ波導入機構２７は、処理容器１内で処理ガスのプラズマを生成させるプラズマ生成手段を構成している。なお、ガス供給装置１８をプラズマ処理装置１００の構成部分には含めずに、外部のガス供給装置をガス導入部１５に接続して使用する構成としてもよい。

処理容器１は、接地された略円筒状の容器により形成されている。なお、処理容器１は角筒形状の容器により形成してもよい。処理容器１は、アルミニウム等の材質からなる底壁１ａと側壁１ｂとを有している。

処理容器１の内部は、被処理体であるシリコンウエハ（以下、単に「ウエハ」と記す）Ｗを水平に支持するための載置台２が設けられている。載置台２は、熱伝導性の高い材質例えばＡｌＮ等のセラミックスにより構成されている。この載置台２は、排気室１１の底部中央から上方に延びる円筒状の支持部材３により支持されている。支持部材３は、例えばＡｌＮ等のセラミックスにより構成されている。

また、載置台２は、加熱または冷却機構を備えておりウエハＷの温度を例えば室温から９００℃までの範囲で制御可能となっている。

また、載置台２には、ウエハＷを支持して昇降させるためのウエハ支持ピン（図示せず）が設けられている。各ウエハ支持ピンは、載置台２の表面に対して突没可能に設けられている。

処理容器１の底壁１ａの略中央部には、円形の排気口１０が形成されている。底壁１ａにはこの排気口１０と連通し、下方に向けて突出する排気室１１が設けられている。この排気室１１には、排気管１２が接続されており、この排気管１２を介して排気装置２４に接続されている。

処理容器１の上端には、処理容器１を開閉させるリッドとしての環状のプレート１３が配置されている。プレート１３の内周部は、内側（処理容器内空間）へ向けて突出し、透過板２８を支持する環状の支持部１３ａを形成している。このプレート１３と処理容器１との間は、シール部材１４を介して気密にシールされている。

処理容器１の側壁１ｂには、環状をなすガス導入部１５が設けられている。このガス導入部１５は、配管を介して酸素含有ガスやプラズマ励起用ガスを供給するガス供給装置１８に接続されている。なお、ガス導入部１５は、処理容器１内に突出するノズル状、または複数のガス孔を有するシャワー状に設けてもよい。

ガス供給装置１８は、例えば、プラズマ生成用のＡｒ、Ｋｒ、Ｘｅ、Ｈｅ等の希ガスや、酸化処理における酸素ガス等の酸化性ガス、窒化処理における窒化ガスなどの処理ガス等を供給するガス供給源（図示せず）を有している。また、ＣＶＤ処理の場合には、成膜原料ガス、処理容器内雰囲気を置換する際に用いるＮ_２、Ａｒ等のパージガス、処理容器１内をクリーニングする際に用いるＣｌＦ_３、ＮＦ_３等のクリーニングガス等を供給するガス供給源を設けることもできる。各ガス供給源は、図示しないマスフローコントローラおよび開閉バルブを備え、供給されるガスの切替えや流量等の制御が出来るようになっている。

また、処理容器１の側壁１ｂには、プラズマ処理装置１００と、これに隣接する搬送室（図示せず）との間でウエハＷの搬入出を行うための搬入出口１６と、この搬入出口１６を開閉するゲートバルブ１７とが設けられている。

排気装置２４は、例えばターボ分子ポンプなどの高速真空ポンプを備えている。前記のように、排気装置２４は、排気管１２を介して処理容器１の排気室１１に接続されている。排気装置２４を作動させることにより、処理容器１内のガスは、排気室１１の空間１１ａ内へ均一に流れ、さらに空間１１ａから排気管１２を介して外部へ排気される。これにより、処理容器１内を例えば０．１３３Ｐａまで高速に減圧することが可能となっている。

次に、マイクロ波導入機構２７の構成について説明する。マイクロ波導入機構２７は、主要な構成として、透過板２８、平面アンテナ板３１、遅波板３３、カバー部材３４、導波管３７、マッチング回路３８および電磁波発生装置３９を備えている。

マイクロ波を透過させる透過板２８は、プレート１３において内周側に張り出した支持部１３ａ上に配備されている。透過板２８は、誘電体、例えば石英やＡｌ_２Ｏ_３、ＡｌＮ等のセラミックスから構成されている。この透過板２８と支持部１３ａとの間は、シール部材２９を介して気密にシールされている。したがって、透過板２８は、プレート１３を介して処理容器１の上部の開口を塞いでおり、処理容器１内の気密性が保持されている。

平面アンテナ板３１は、透過板２８の上方において、載置台２と対向するように設けられている。平面アンテナ板３１は、円板状をなしている。なお、平面アンテナ板３１の形状は、円板状に限らず、例えば四角板状でもよい。この平面アンテナ板３１は、プレート１３の上端に係止されている。

平面アンテナ板３１は、例えば表面が金または銀メッキされた銅板またはアルミニウム板から構成されている。平面アンテナ板３１は、マイクロ波を放射する多数のスロット状のマイクロ波放射孔３２を有している。マイクロ波放射孔３２は、所定のパターンで平面アンテナ板３１を貫通して形成されている。

個々のマイクロ波放射孔３２は、例えば図２に示すように、細長い長方形状（スロット状）をなしている。そして、典型的には隣接するマイクロ波放射孔３２が「Ｔ」字状に配置されている。また、このように所定の形状（例えばＴ字状）に組み合わせて配置されたマイクロ波放射孔３２は、さらに全体として同心円状に配置されている。

マイクロ波放射孔３２の長さや配列間隔は、マイクロ波の波長（λｇ）に応じて決定される。例えば、マイクロ波放射孔３２の間隔は、λｇ／４〜λｇとなるように配置される。図２においては、同心円状に形成された隣接するマイクロ波放射孔３２どうしの間隔をΔｒで示している。なお、マイクロ波放射孔３２の形状は、円形状、円弧状等の他の形状であってもよい。さらに、マイクロ波放射孔３２の配置形態は特に限定されず、同心円状のほか、例えば、螺旋状、放射状等に配置することもできる。

平面アンテナ板３１の上には、遅波板３３が設けられている。遅波板３３は、真空よりも大きい誘電率を有する材料から構成されている。遅波板３３の材料としては、例えば、石英、アルミナ、窒化アルミニウムなどを挙げることができる。この遅波板３３は、空気中ではマイクロ波の波長が長くなることから、マイクロ波の波長を短くしてプラズマを調整する機能を有している。遅波板３３の下面は、平面アンテナ板３１に当接しており、上面は、カバー部材３４に当接している。本実施の形態では、遅波板３３として、内外二重に分離した構造のものを用いる。

図３は、遅波板３３の配置を示す外観斜視図であり、図４は遅波板３３の平面図である。図５は、平面アンテナ板３１の上に配備された遅波板３３を示す要部断面図である。遅波板３３は、内側に配置される小径部材１０１と、小径部材１０１を囲む大径部材１０３とから構成されている。小径部材１０１と大径部材１０３は、いずれもリング状に形成された平板である。小径部材１０１及び大径部材１０３は、同じ誘電率を持つ材質で形成してもよいし、あるいは、異なる誘電率の材質で形成してもよい。小径部材１０１の中央部には、同軸導波管３７ａの中心を通る内導体４１（後述）へ固定するために、厚み方向に貫通した開口部１０５が設けられている。つまり、小径部材１０１は、開口部１０５において内導体４１に固定されている。大径部材１０３は、その周縁部１０３ａにおいて、例えばカバー部材３４又は平面アンテナ板３１に固定されている。

小径部材１０１と大径部材１０３とは、間隔をあけて配置されている。小径部材１０１と大径部材１０３との間には、空気層（エアギャップＡＧ）が介在している。本実施の形態のプラズマ処理装置１００では、小径部材１０１及び大径部材１０３の材質と、必要に応じてエアギャップＡＧを利用して、平面アンテナ板３１とカバー部材３４との間の領域の誘電率を制御している。小径部材１０１及び大径部材１０３は、いずれも比誘電率εが１を超える誘電体材料で構成されている。それに対して、空気層であるエアギャップＡＧの比誘電率εはほぼ１である。従って、平面アンテナ板３１に隣接する上方の領域（平面アンテナ板３１とカバー部材３４との間）を一つのまとまった単位として考えると、小径部材１０１と大径部材１０３を配置したことによって、当該領域における誘電率は、平面アンテナ板３１の上面と平行な断面において、非均一になっている。例えば、小径部材１０１及び大径部材１０３の材質として比誘電率εが３．８である石英を使用した場合、平面アンテナ板３１に隣接する上方の領域の誘電率は、平面アンテナ板３１の上面に平行な断面において、中心の内導体４１側から径外方向に、比誘電率ε＝３．８（小径部材１０１）、ε＝１（エアギャップＡＧ）、ε＝３．８（大径部材１０３）のように変化する。

本実施の形態では、小径部材１０１と大径部材１０３との間隔（つまり、エアギャップＡＧの幅Ｌ）は、任意の大きさに設定できる。例えば、図６に示したように、エアギャップＡＧの幅Ｌを図４に比べて小さく設定することも可能である。エアギャップＡＧの幅Ｌを変化させることによって、小径部材１０１と大径部材１０３の合計体積に対する空気層の体積比率を変化させることができる。

また、エアギャップＡＧを設ける径方向の位置も可変に調節できる。幅Ｌが同じ場合でも、エアギャップＡＧを設ける位置を変えることによって、小径部材１０１と大径部材１０３との比率（面積比率及び体積比率）を変化させることができる。このように、小径部材１０１、大径部材１０３及びエアギャップＡＧの配置と比率を調節することにより、平面アンテナ板３１とカバー部材３４との間の領域の誘電率の分布を簡単に変化させることができる。

また、遅波板３３における小径部材１０１と大径部材１０３は円環状に限るものではなく、任意の形状を採用できる。例えば図７は、大径部材１０３を非均等な形状にした例である。この例では、大径部材１０３Ａの内周が、第１の円弧部分ＣＡ１と、第１の円弧部分ＣＡ１よりも曲率半径の小さな第２の円弧部分ＣＡ２とを有するように変形させている。このような形状により、小径部材１０１と大径部材１０３Ａとの間隔であるエアギャップＡＧの幅Ｌが均一ではなく、第２の円弧ＣＡ２との間だけ部分的に小さくなるように設計できる。なお、図示は省略するが、大径部材１０３の内周形状ではなく、小径部材１０１の外周形状を変形させることによっても、同様の構成が得られる。

また、例えば図８では、小径部材１０１Ａを、大径部材１０３の中心（平面アンテナ板３１の中心または同軸導波管３７ａの中心と同じ）から偏心させて配置している。このように、小径部材１０１Ａの外周と、大径部材１０３の内周とが同心円を形成しないように、小径部材１０１Ａを偏心させて配置することにより、エアギャップＡＧの幅Ｌを偏心方向には偏心幅だけ部分的に小さくし、逆に、偏心方向と反対側は、偏心幅だけ大きくなるように設計できる。図７及び図８に示すような遅波板３３を構成する部材の非対称な形状や非対称な配置は、平面アンテナ板３１の上面と平行な平面において、径方向と周方向の両方で、誘電率を非均一にすることができる。従って、例えば、処理容器１内のプラズマの分布に局所的な強弱があって偏っている場合などに、その偏りを是正する際に有効である。さらに、図９に示すように、大径部材１０３の内周を偏心させることによっても同様の構成が得られる。

また、本実施の形態では、小径部材１０１（１０１Ａ）と大径部材１０３（１０３Ａ）の材質として、異なる誘電率の材料を用いることも可能である。例えば、図３から図５における小径部材１０１の材質として石英を、大径部材１０３の材質として比誘電率εが８．５であるアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）を使用した場合、平面アンテナ板３１の上面に平行な上方領域は、中心の内導体４１側から径外方向に、比誘電率ε＝３．８（小径部材１０１）、ε＝１（エアギャップＡＧ）、ε＝８．５（大径部材１０３）のように変化する。このように、小径部材１０１と大径部材１０３の材質を変えることによっても、平面アンテナ板３１とカバー部材３４との間の領域の誘電率の分布を簡単に変化させることができる。なお、小径部材１０１と大径部材１０３の材質が異なる場合には、熱膨張等によって破損が生じない限り、エアギャップＡＧを設けずに、小径部材１０１と大径部材１０３とを接触させても誘電率を非均一な状態にすることができる。この場合は、小径部材１０１と大径部材１０３との熱膨張係数が同程度の材質を選択することが好ましい。

このように、本実施の形態のプラズマ処理装置１００では、単体の遅波板ではなく、複数に分離した遅波板３３を設けたことによって、平面アンテナ板３１の直上の領域を、異なる誘電率をもつ複数の小領域に細分化できる。そのため、単体の遅波板を用いる場合に比べ、マイクロ波の波長の調節を細かく制御することが可能であり、処理容器１内で生成するプラズマの分布を細かく制御できる。なお、遅波板３３を構成する部材としては、小径部材１０１と大径部材１０３の２つの部材に限るものではなく、３つ以上の部材を組み合わせて使用することもできる。

なお、遅波板３３の厚みは、遅波板３３を構成する材質の誘電率による波長短縮と遅波板３３内での定在波の周期性を考慮して設定することが好ましい。

処理容器１の上部には、これら平面アンテナ板３１および遅波板３３を覆うように、導波路を形成する機能も有するカバー部材３４が設けられている。カバー部材３４は、例えばアルミニウムやステンレス鋼、銅等の金属材料によって形成されている。プレート１３の上端とカバー部材３４とは、マイクロ波が外部へ漏えいしないように導電性を有するスパイラルシールドリングなどのシール部材３５によりシールされている。また、カバー部材３４には、冷却水流路３４ａが形成されている。この冷却水流路３４ａに冷却水を通流させることにより、カバー部材３４、遅波板３３、平面アンテナ板３１および透過板２８を冷却できるようになっている。この冷却機構により、カバー部材３４、遅波板３３、平面アンテナ板３１、透過板２８およびプレート１３がプラズマの熱により変形・破損することが防止される。なお、プレート１３、平面アンテナ板３１およびカバー部材３４は接地されている。

カバー部材３４の上壁（天井部）の中央には、開口部３６が形成されており、この開口部３６には導波管３７の下端が接続されている。導波管３７の他端側には、マッチング回路３８を介してマイクロ波を発生する電磁波発生装置３９が接続されている。電磁波発生装置３９で発生させるマイクロ波の周波数としては、例えば２．４５ＧＨｚが好ましく用いられ、他に８００ＭＨｚ〜１ＧＨｚ（好ましくは８００ＭＨｚ〜９１５ＭＨｚ）、８．３５ＧＨｚ、１．９８ＧＨｚ等を用いることもできる。

導波管３７は、上記カバー部材３４の開口部３６から上方へ延出する断面円形状の同軸導波管３７ａと、この同軸導波管３７ａの上端部にモード変換器４０を介して接続された水平方向に延びる矩形導波管３７ｂとを有している。モード変換器４０は、矩形導波管３７ｂ内をＴＥモードで伝播するマイクロ波をＴＥＭモードに変換する機能を有している。

同軸導波管３７ａの中心には内導体４１が延在している。この内導体４１は、その下端部において平面アンテナ板３１の中心に接続固定されている。このような構造により、マイクロ波は、内導体４１を有する同軸導波管３７ａを介して平面アンテナ板３１へ放射状に効率よく均一に伝播される。

以上のような構成のマイクロ波導入機構２７により、電磁波発生装置３９で発生したマイクロ波が導波管３７を介して平面アンテナ板３１へ伝搬され、さらに透過板２８を介して処理容器１内に導入されるようになっている。

プラズマ処理装置１００の各構成部は、制御部５０に接続されて制御される構成となっている。制御部５０は、図１０に示したように、ＣＰＵを備えたプロセスコントローラ５１と、このプロセスコントローラ５１に接続されたユーザーインターフェース５２および記憶部５３を備えている。プロセスコントローラ５１は、プラズマ処理装置１００において、例えばガス流量、圧力、マイクロ波出力などのプロセス条件に関係する各構成部（例えば、ガス供給装置１８、排気装置２４、電磁波発生装置３９など）を統括して制御する制御手段である。

ユーザーインターフェース５２は、工程管理者がプラズマ処理装置１００を管理するためにコマンドの入力操作等を行うキーボードや、プラズマ処理装置１００の稼働状況を可視化して表示するディスプレイ等を有している。また、記憶部５３には、プラズマ処理装置１００で実行される各種処理をプロセスコントローラ５１の制御にて実現するための制御プログラム（ソフトウエア）や処理条件データ等が記録されたレシピが保存されている。

そして、必要に応じて、ユーザーインターフェース５２からの指示等にて任意のレシピを記憶部５３から呼び出してプロセスコントローラ５１に実行させることで、プロセスコントローラ５１の制御下、プラズマ処理装置１００の処理容器１内で所望の処理が行われる。また、前記制御プログラムや処理条件データ等のレシピは、コンピュータ読み取り可能な記憶媒体、例えばＣＤ−ＲＯＭ、ハードディスク、フレキシブルディスク、フラッシュメモリ、ＤＶＤ、ブルーレイディスクなどに格納された状態のものを利用したり、あるいは、他の装置から、例えば専用回線を介して随時伝送させてオンラインで利用したりすることも可能である。

このように構成されたプラズマ処理装置１００では、６００℃以下の低温で下地膜等へのダメージフリーなプラズマ処理を行うことができる。また、プラズマ処理装置１００は、プラズマの均一性に優れていることから、プロセスの均一性を実現できる。

次に、本実施の形態に係るプラズマ処理装置１００を用いたプラズマ処理の手順の一例について説明する。ここでは、処理ガスとして窒素を含有するガスを用い、ウエハ表面をプラズマ窒化処理する場合を例に挙げる。まず、例えばユーザーインターフェース５２から、プラズマ処理装置１００でプラズマ窒化処理を行うように指令が入力される。この指令を受けて、プロセスコントローラ５１は、記憶部５３に保存されたレシピを読み出す。そして、レシピに基づく条件でプラズマ窒化処理が実行されるように、プロセスコントローラ５１からプラズマ処理装置１００の各エンドデバイス例えばガス供給装置１８、排気装置２４、電磁波発生装置３９などへ制御信号が送出される。

そして、ゲートバルブ１７を開にして搬入出口１６からウエハＷを処理容器１内に搬入し、載置台２上に載置する。次に、処理容器１内を減圧排気しながら、ガス供給装置１８から、不活性ガスおよび窒素含有ガスを所定の流量でそれぞれガス導入部１５を介して処理容器１内に導入する。さらに、排気量およびガス供給量を調整して処理容器１内を所定の圧力に調節する。

次に、電磁波発生装置３９のパワーをオン（入）にして、マイクロ波を発生させる。そして、所定の周波数例えば２．４５ＧＨｚのマイクロ波は、マッチング回路３８を介して導波管３７に導かれる。導波管３７に導かれたマイクロ波は、矩形導波管３７ｂおよび同軸導波管３７ａを順次通過し、平面アンテナ板３１に供給される。マイクロ波は、矩形導波管３７ｂ内ではＴＥモードで伝搬し、このＴＥモードのマイクロ波はモード変換器４０でＴＥＭモードに変換されて、同軸導波管３７ａ内を平面アンテナ板３１に向けて伝搬していく。そして、マイクロ波は、平面アンテナ板３１とカバー部材３４との間の偏平導波路を伝搬する際に、遅波板３３によって波長が短縮される。本実施の形態のプラズマ処理装置１００では、上記偏平導波路の誘電率が平面アンテナ板３１の径外方向に非均一になるように、遅波板３３として、小径部材１０１と大径部材１０３とを有する内外二重の部材からなり、必要に応じて間にエアギャップＡＧを介在させた構成のものを用いている。その結果、偏平導波路を通過するマイクロ波を所望の波長に制御できる。

遅波板３３によって波長が短縮化されたマイクロ波は、平面アンテナ板３１に貫通形成された孔であるマイクロ波放射孔３２から透過板２８を介して処理容器１内におけるウエハＷの上方空間に放射される。マイクロ波出力は、マイクロ波を効率良く供給する観点から、平面アンテナ板３１の面積１ｃｍ^２あたりのパワー密度として０．４１〜４．１９Ｗ／ｃｍ^２の範囲内とすることが好ましい。マイクロ波出力は、例えば５００〜５０００Ｗ程度の範囲内から目的に応じて上記範囲内のパワー密度となるように選択することができる。

平面アンテナ板３１から透過板２８を経て処理容器１に放射されたマイクロ波により、処理容器１内で電磁界が形成され、不活性ガスおよび窒素含有ガスがそれぞれプラズマ化する。このマイクロ波により励起されたプラズマは、マイクロ波が平面アンテナ板３１の多数のマイクロ波放射孔３２から放射されることにより、１０^９／ｃｍ^３〜１０^１３／ｃｍ^３の高密度で、かつウエハＷ近傍では、略２ｅＶ以下の低電子温度のプラズマとなる。このようにして形成される高密度プラズマは、下地膜へのイオン等によるプラズマダメージが少ないものである。そして、プラズマ中の活性種例えばラジカルやイオンの作用によりウエハＷのシリコン表面が窒化されてシリコン窒化膜ＳｉＮの薄膜が形成される。なお、窒素含有ガスに代えて酸素含有ガスを用いることにより、シリコンの酸化処理が可能であり、また、成膜原料ガスを用いることによりプラズマＣＶＤ法による成膜を行うことも可能である。

プロセスコントローラ５１からプラズマ処理を終了させる制御信号が送出されると、電磁波発生装置３９のパワーがオフ（切）にされ、プラズマ処理が終了する。次に、ガス供給装置１８からの処理ガスの供給を停止して処理容器内を真空引きする。そして、ウエハＷを処理容器１内から搬出し、１枚のウエハＷに対するプラズマ処理が終了する。

以上のように、本実施の形態のプラズマ処理装置１００では、誘電体により構成される遅波板３３を、平面アンテナ板３１とカバー部材３４との間の領域の誘電率が、平面アンテナ板３１の上面と平行な断面において径方向及び／又は周方向に変化するように構成したので、マイクロ波の波長を制御して、平面アンテナ板３１を交換しなくとも処理容器１内におけるプラズマ分布を制御することができる。従って、処理容器１内で所望の分布でプラズマを安定的に維持することができる。また、ウエハＷの大型化に対応して処理容器１を大型化させた場合でも、遅波板３３の構成を変えることによって、処理容器１内で生成するプラズマ分布を簡単に調節できる。

［第２の実施の形態］
次に、図１１から図１３を参照しながら、本発明の第２の実施の形態に係るプラズマ処理装置について説明する。本実施の形態のプラズマ処理装置は、遅波板３３の構成が異なる点以外は、第１の実施の形態のプラズマ処理装置１００（図１）と同じであるため、全体の説明は省略し、遅波板３３の構成についてのみ説明を行う。図１１は、第２の実施の形態に係る遅波板３３の平面図である。遅波板３３は、内側に配置される小径部材１０１と、小径部材１０１を囲む大径部材１０３と、小径部材１０１と大径部材１０３との間に介在配置された複数（図１１では８個）の着脱自在なピース１０７を有している。ピース１０７は、いずれも誘電体から構成されている。ピース１０７は、小径部材１０１及び大径部材１０３と同じ材質でもよいし、異なる材質でもよい。また、ピース１０７毎に異なる材質を用いることも可能である。

本実施の形態において、ピース１０７は遅波板３３に着脱自在に構成されており、一つないし複数のピース１０７を装着したり、取り外したりすることができる。図１１では、一つのピース１０７を外した状態を示している。ピース１０７を取り外した場合、その部分は空気層（エアギャップＡＧ）となる。従って、ピース１０７の装着個数、配置を変化させることによって、平面アンテナ板３１とカバー部材３４との間の領域の誘電率の分布を簡単に変化させることができる。つまり、当該領域における誘電率が、平面アンテナ板３１の上面と平行な断面において径方向及び周方向に様々なパターンで非均一になるように変化させることができる。

図１１では、ピース１０７を小径部材１０１及び／又は大径部材１０３に接触させて配置しているが、離間させてもよい。ピース１０７を小径部材１０１及び／又は大径部材１０３に接触させる場合は、小径部材１０１及び／又は大径部材１０３との熱膨張係数が同程度の材質を選択することが好ましい。ピース１０７を小径部材１０１及び／又は大径部材１０３と離間させた場合は、離間部分に空気層（エアギャップＡＧ；図示省略）が介在することになる。

図１２に、図１１に示した遅波板３３の変形例として、小径部材１０１と、着脱可能な複数のピース１０７Ａ（図１２では８個）とを組み合わせた態様を示した。この遅波板３３では、小径部材１０１を囲むように、その周囲にピース１０７Ａが配置されている。ピース１０７Ａは、いずれも誘電体から構成されている。ピース１０７Ａは、小径部材１０１と同じ材質でもよいし、異なる材質でもよい。また、ピース１０７Ａ毎に異なる材質を用いることも可能である。

図１２に示したように、ピース１０７Ａは、アーム６０を使用して着脱可能に構成されており、一つないし複数のピース１０７Ａを装着したり、取り外したりすることができる。ピース１０７Ａを取り外した場合、その部分は空気層（エアギャップＡＧ）となる。従って、ピース１０７Ａの装着個数、配置を変化させることによって、平面アンテナ板３１とカバー部材３４との間の領域の誘電率の分布を簡単に変化させることができる。つまり、当該領域における誘電率が、平面アンテナ板３１の上面と平行な断面において径方向及び周方向に様々なパターンで非均一になるように変化させることができる。

図１２では、ピース１０７Ａを小径部材１０１に接触させて配置しているが、離間させてもよい。ピース１０７Ａを小径部材１０１に接触させる場合は、小径部材１０１との熱膨張係数が同程度の材質を選択することが好ましい。ピース１０７Ａを小径部材１０１と離間させた場合は、そこに空気層（エアギャップＡＧ；図示省略）が介在することになる。また、隣接するピース１０７Ａどうしも、接触させても離間させてもよく、接触させる場合は、熱膨張係数が同程度の材質を選択することが好ましい。ピース１０７Ａどうしを離間させた場合は、そこに空気層（エアギャップＡＧ；図示省略）が介在することになる。

図１３は、本実施の形態のさらなる変形例を示しており、ベース板１１１と、このベース板１１１に組み合わせて配置される着脱可能な平面矩形の複数のピース１１３とを有している。ベース板１１１とピース１１３は、いずれも誘電体から構成されている。ピース１１３は、ベース板１１１と同じ材質でもよいし、異なる材質でもよい。また、ピース１１３毎に異なる材質を用いることも可能である。

ベース板１１１には、複数の切り欠き部１１１ａが設けられており、この切り欠き部１１１ａにピース１１３を嵌め込んだり、外したりすることによって、平面アンテナ板３１とカバー部材３４との間の領域の誘電率の分布を簡単に変化させることができる。ベース板１１１とピース１１３とを組み合わせていない状態では、切り欠き部１１１ａに空気層（エアギャップＡＧ）が形成されるので、平面アンテナ板３１の上面と平行な断面において径方向及び周方向に誘電率が非均一になる。ベース板１１１の切り欠き部１１１ａにピース１１３を挿入して組み合わせた場合は、ベース板１１１とピース１１３とが同じ材質であれば、平面アンテナ板３１の上面と平行な断面において誘電率が非均一な状態は解消され、ベース板１１１とピース１１３とが異なる材質であれば、平面アンテナ板３１の上面と平行な断面において径方向及び周方向に誘電率が非均一となり、誘電率の分布が生じる。

本実施の形態における他の構成及び効果は、第１の実施の形態と同様である。

［第３の実施の形態］
次に、図１４から図１６を参照しながら、本発明の第３の実施の形態に係るプラズマ処理装置について説明する。本実施の形態のプラズマ処理装置は、遅波板３３の構成が異なる点以外は、第１の実施の形態のプラズマ処理装置１００（図１）と同じであるため、全体の説明は省略し、遅波板３３の構成についてのみ説明を行う。図１４は、第３の実施の形態に用いる遅波板３３の外観構成を示す斜視図であり、図１５は、遅波板３３を取り付けた状態を示すプラズマ処理装置の要部断面図である。遅波板３３は、平面アンテナ板３１と略同程度の面積の平板である円盤部材１１５と、該円盤部材１１５の上に重ねて配置されたリング状部材１１７と、を有している。リング状部材１１７は、円盤部材１１５よりも小面積に形成されている。円盤部材１１５とリング状部材１１７は、いずれも誘電体から構成されている。円盤部材１１５とリング状部材１１７とは、同じ材質でもよいし、異なる材質でもよい。

本実施の形態では、円盤部材１１５と組み合わせてリング状部材１１７を配置することによって、平面アンテナ板３１とカバー部材３４との間の領域の誘電率の分布を簡単に変化させることができる。つまり、円盤部材１１５の直上の領域は、所定の誘電率を持つリング状部材１１７が存在する部分以外は、空気層（エアギャップＡＧ）となるため、誘電率が平面アンテナ板３１の上面と平行な断面において非均一となっている。

また、リング状部材１１７は、円盤部材１１５上でアーム６０により配置を変更できるように可動式に構成されている。リング状部材１１７の配置を変更することによって、エアギャップＡＧの形状が変化するので、平面アンテナ板３１とカバー部材３４との間の領域の誘電率の分布を、平面アンテナ板３１の上面と平行な断面において簡単に変化させることができる。

次に、本実施の形態における遅波板３３の変形例について図１６を参照しながら説明する。図１６は、遅波板３３を取り付けた状態を示すプラズマ処理装置１００の要部断面図である。この変形例では、リング状部材１１７を平面アンテナ板３１の上面に接触させて配置し、その上に、円盤部材１１５を重ねて配置した。この場合、リング状部材１１５は可動式とはせずに、例えば同軸導波管３７ａの中心を通る内導体４１に固定されている。本実施の形態では、リング状部材１１７を円盤部材１１５と平面アンテナ板３１との間に介在配置させることによって、平面アンテナ板３１とカバー部材３４との間の領域の誘電率を平面アンテナ板３１の上面と平行な断面において非均一にすることができる。つまり、円盤部材１１５の直下の領域は、所定の誘電率を持つリング状部材１１７が存在する部分以外は、空気層（エアギャップＡＧ）となるため、平面アンテナ板３１の上面と平行な断面において誘電率の分布が生じている。

本実施の形態における他の構成及び効果は、第１の実施の形態と同様である。

［第４の実施の形態］
次に、図１７及び図１８を参照しながら、本発明の第４の実施の形態に係るプラズマ処理装置について説明する。本実施の形態のプラズマ処理装置は、遅波板３３の構成が異なる点以外は、第１の実施の形態のプラズマ処理装置１００（図１）と同じであるため、全体の説明は省略し、遅波板３３の構成についてのみ説明を行う。図１７は、第４の実施の形態に用いる遅波板３３を取り付けた状態を示すプラズマ処理装置の要部断面図である。本実施の形態の遅波板３３は、ベース板１１９と、このベース板１１９に部分的に形成された凹部（溝１２１）とを有している。つまり、ベース板１１９の上面（平面アンテナ板３１に接する面とは反対側）には、部分的に一つないし複数の溝１２１が形成されている。溝１２１の配設位置や形状、深さや大きさなどは特に限定されるものではなく、例えば同軸導波管３７ａを囲むように環状に設けてもよいし、ベース板１１９の面内に複数の溝１２１が点在するように設けてもよい。

本実施の形態では、ベース板１１９の上面に溝１２１を設けたことによって、平面アンテナ板３１とカバー部材３４との間の領域の誘電率を平面アンテナ板３１の上面と平行な断面において細かく区分することができる。つまり、溝１２１の部分は空気層（エアギャップＡＧ）となるため、所定の誘電率を持つベース板１１９との間で誘電率の差異が生じる。従って、平面アンテナ板３１とカバー部材３４との間の領域の誘電率を平面アンテナ板３１の上面と平行な断面において非均一な状態にすることができる。なお、同様な効果を得るために、図１８に示すようにベース板１１９の下面（平面アンテナ板３１に接する面）に部分的に溝１２１を設けてもよく、さらに図示は省略するが、ベース板１１９の上下両面に部分的に溝１２１を設けてもよい。

本実施の形態における他の構成及び効果は、第１の実施の形態と同様である。

［第５の実施の形態］
次に、図１９及び図２０を参照しながら、本発明の第５の実施の形態に係るプラズマ処理装置について説明する。本実施の形態のプラズマ処理装置は、遅波板３３の構成が異なる点以外は、第１の実施の形態のプラズマ処理装置１００（図１）と同じであるため、全体の説明は省略し、遅波板３３の構成についてのみ説明を行う。図１９及び図２０は、本実施の形態に係る遅波板３３の平面図である。本実施の形態の遅波板３３は、単体のベース板１２３と、その厚み方向に貫通する一つ又は複数（図１９では９つ、図２０では１つ）の貫通開口１２５を有している。ベース板１２３における貫通開口１２５形状や大きさ、配設位置は任意であり、特に限定されるものではないが、例えば同軸導波管３７ａを囲むように螺旋状、環状、半円（弧）状等に設けることが好ましい。

本実施の形態では、ベース板１２３に貫通開口１２５を設けたことによって、平面アンテナ板３１とカバー部材３４との間の領域の誘電率を平面アンテナ板３１の上面と平行な断面において細かく区分することができる。つまり、貫通開口１２５の部分は空気層（エアギャップＡＧ）となるため、所定の誘電率を持つベース板１２３との間で誘電率の差異が生じ、誘電率を平面アンテナ板３１の上面と平行な断面において非均一にすることができる。

また、本実施の形態の遅波板３３では、ベース板１２３に貫通開口１２５を非均等に配設したので、例えばベース板１２３の装着位置を図１９及び図２０中に矢印で示すように任意の角度で回転させることによって、平面アンテナ板３１とカバー部材３４との間の領域の誘電率の分布を簡単に変化させることができる。

本実施の形態における他の構成及び効果は、第１の実施の形態と同様である。

次に、図１に示したプラズマ処理装置１００と同様の構成のプラズマ処理装置を用い、遅波板３３の構造が、処理容器１内へのマイクロ波パワーの導入効率に与える影響について有限要素法による３次元シミュレーションにより検証した。シミュレーションでは、ソフトウエアとしてＣＯＭＳＯＬ（商品名；ＣＯＭＳＯＬ社製）を用い、下記の３種類の遅波板を装着した場合について透過板２８の直下における電界強度及びその分布を計算した。遅波板３３の材質はいずれも石英とした。

遅波板Ａ（本発明例）：
図３〜図５に示したものと同様の二重リング構造の遅波板において、中心から小径部材１０１の外周部までの径方向の距離を約１６０ｍｍに設定し、エアギャップＡＧの幅を１０ｍｍ、２０ｍｍ、３０ｍｍ、４０ｍｍ、５０ｍｍ、６０ｍｍ、７２．５ｍｍにそれぞれ設定した。

遅波板Ｂ（本発明例）：
図３〜図５に示したものと同様の二重リング構造の遅波板において、中心から小径部材１０１の外周部までの径方向の距離を約１９５ｍｍに設定し、エアギャップＡＧの幅を１０ｍｍ、２０ｍｍ、３０ｍｍ、３８．５ｍｍにそれぞれ設定した。

遅波板Ｓ（比較例）：
単体の円板状とした。

シミュレーション実験の結果を表１及び図２１に示した。なお、図２１は透過板２８の直下における電界強度分布を白黒で示しており、大まかな傾向として、白い領域は電界強度が強く、黒い領域は電界強度が弱いことを示している。

表１に示した遅波板Ａ、Ｂの結果から、エアギャップＡＧの配置及び幅Ｌを変化させることにより、処理容器１内の電界強度を大きく変えることが可能であった。また、図２１に示すように、エアギャップＡＧの配置及び幅Ｌを変化させることにより、処理容器１内の電界分布も大きく変化させることが可能であった。例えば、遅波板Ａにおいて、エアギャップＡＧの幅Ｌが３０ｍｍでは電界分布が透過板２８の周縁部の直下で強くなり、幅Ｌが４０ｍｍでは電界分布が透過板２８の中央部の直下で強くなるなど、エアギャップＡＧの幅Ｌに依存して電界分布が変化する傾向が把握された。従って、例えば図７及び図８で示したような遅波板３３の構成（偏心配置）により、処理容器１内で局所的に電界分布が弱い部分のみ電界を強くするなど、電界分布の偏りを積極的に是正する制御が可能であると考えられる。

次に、図１に示したプラズマ処理装置１００と同様の構成のプラズマ処理装置を用いてシリコンウエハに対してプラズマ窒化処理を行った。遅波板３３として、図３〜図５に示したものと同様の二重リング構造の遅波板を用いた。エアギャップＡＧの幅は３０ｍｍ又は４０ｍｍとした。プロセス条件は以下の通りである。

［プロセス条件］
Ｎ_２ガス／Ａｒガスの体積流量比：２０％
流量：２００ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）
プロセス圧力：２０Ｐａ
マイクロ波出力：１５００Ｗ
載置台温度：５００℃
処理時間：９０秒

成膜された窒化珪素膜のウエハ面内の膜厚分布をエリプソメーターで測定することにより、ウエハ面内でのプラズマ窒化処理の均一性を評価した。その結果を表２に示した。また、図２２に、シミュレーション実験における透過板２８の直下における電界強度分布を白黒で示した。図２２では、大まかな傾向として、白い領域は電界強度が強く、黒い領域は電界強度が弱いことを示している。

この実験結果から、遅波板３３のエアギャップＡＧの幅Ｌを変えることによって、窒化珪素膜の膜厚の面内分布が変化することが確認された。従って、本発明の遅波板３３を用い、プロセス条件に合わせてその形状と配置を変えることにより、ウエハＷの面内での処理の均一性を改善できる可能性が示された。

以上、本発明の実施形態を述べたが、本発明は上記実施形態に制約されることはなく、種々の変形が可能である。例えば、本発明のプラズマ処理装置１００は、プラズマ窒化処理装置以外にも、例えばプラズマ酸化処理装置やプラズマＣＶＤ処理装置、プラズマエッチング処理装置、プラズマアッシング処理装置などに適用できる。さらに、本発明の平面アンテナ板３１を備えたプラズマ処理装置１００は、被処理体として半導体ウエハを処理する場合に限らず、例えば液晶ディスプレイ装置や有機ＥＬディスプレイ装置などのフラットパネルディスプレイ装置用あるいは太陽電池パネルの基板を被処理体とするプラズマ処理装置にも適用できる。

１…処理容器、２…載置台、３…支持部材、１２…排気管、１５…ガス導入部、１８…ガス供給装置、２４…排気装置、２７…マイクロ波導入機構、２８…透過板、２９…シール部材、３１…平面アンテナ板、３２…マイクロ波放射孔、３３…遅波板、３７…導波管、３７ａ…同軸導波管、３７ｂ…矩形導波管、３９…電磁波発生装置、５０…制御部、５１…プロセスコントローラ、５２…ユーザーインターフェース、５３…記憶部、１００…プラズマ処理装置、１０１…小径部材、１０３…大径部材、１０５…開口部、ＡＧ…エアギャップ、Ｗ…半導体ウエハ（基板）

Claims (6)

1. 被処理体を収容する真空引き可能な処理容器と、
   電磁波発生装置で発生した電磁波を前記処理容器内に導入する平面アンテナ部材と、
   前記電磁波を前記平面アンテナ部材へ供給する導波管と、
   前記平面アンテナ部材の上に重ねて設けられ、前記導波管から供給された前記電磁波の波長を変化させる遅波板と、
   前記遅波板及び前記平面アンテナ部材を上方から覆うカバー部材と、
   を備え、
   前記遅波板は、誘電体により構成されるとともに、第１の部材と、前記平面アンテナ部材の上面と平行な断面の面積が前記第１の部材よりも大きな第２の部材と、を含み、前記第１の部材と前記第２の部材がこれらの厚み方向に重ねて配置され、前記第２の部材の直上又は直下の領域であって前記第１の部材が存在する部分以外に空気層を形成することによって、前記平面アンテナ部材と前記カバー部材との間の領域の誘電率が、前記平面アンテナ部材の上面と平行な断面において、非均一であるプラズマ処理装置。
2. 前記第１の部材が前記平面アンテナ部材に接触して配置され、前記第２の部材が前記第１の部材上に重ねて配置される請求項１に記載のプラズマ処理装置。
3. 前記第２の部材が前記平面アンテナ部材に接触して配置され、前記第１の部材が前記第２の部材上に重ねて配置される請求項１に記載のプラズマ処理装置。
4. 前記第１の部材と前記第２の部材が同じ材質で構成されている請求項１から３のいずれか１項に記載のプラズマ処理装置。
5. 前記第１の部材と前記第２の部材が異なる材質で構成されている請求項１から３のいずれか１項に記載のプラズマ処理装置。
6. 請求項１から５のいずれか１項に記載されたプラズマ処理装置に用いる遅波板。

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