JP2007018771A - プラズマ処理装置及びプラズマ処理方法 - Google Patents

Abstract

【課題】異常放電を防止しつつ均一で高密度な大面積プラズマを生成し、且つマイクロ波入射用の誘電体窓に加わる力学的応力と熱的応力を減少させるプラズマ処理装置及び処理方法の提供。
【解決手段】第１の誘電体部材１４は、接続導波管１２より伝播された電磁波を透過する機能と、真空導波管１３を構成する耐圧機能とを有し、真空導波管１３の他端に気密に封止されている。排気システム１９は、真空導波管１３内の圧力がプラズマ処理を行う処理チャンバ１内の圧力よりも低い圧力に排気する。
【選択図】図１

Description

本発明は、電磁波（マイクロ波）を伝播する導波管を有するプラズマを用いた処理装置及びプラズマを用いた処理方法に関する。

一般に、半導体装置や液晶表示装置等における製造プロセスには、酸化膜や導電体膜の膜堆積工程、アニール処理等の表面改質工程、又はパターン形成等のエッチング工程を実施するためのプラズマ処理が含まれている。プラズマ処理を行う装置としては、平行平板型電極を有する高周波プラズマ処理装置や、電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）装置等が用いられている。さらに近年、デバイス性能の向上に従い、新たなナノスケールの薄膜処理技術の導入に加えて、表示装置に用いられる被処理基板としては、０．５平方メートル程度から数平方メートル程度のスケールとなる大面積処理技術の確立が望まれてきている。

通常の平行平板型プラズマ処理装置は、対向する電極板の面積を大きくするだけで、比較的容易に大面積プラズマが生成できる反面、プロセス雰囲気が高ガス圧で低プラズマ密度であるため、電子温度が高いという問題が生じている。また、ＥＣＲ装置は、プラズマ励起のために直流磁場を発生する必要があるため、磁場形成の点からも大面積プラズマ生成が困難である。他にも、生成される磁場の影響により、被処理基板上でプラズマが不均一になりやすいという問題がある。

これらの被処理基板の大面積化、プラズマの均一性及び電子温度の高温化等の問題を解決する１つの手法として、近年、無磁場のマイクロ波放電を用いて高密度且つ低電子温度のプラズマを生成する処理装置所謂、表面波プラズマを用いた処理装置が提案されている。

これまでに提案されている表面波プラズマを用いた処理装置は、プラズマ発生源においては、大気圧下の導波管を用いて誘電体窓を通して処理チャンバ側にマイクロ波を入射するように構成されている。この表面波プラズマを用いた技術による大面積化における課題は、導波管内が大気圧である一方、処理チャンバ内が真空状態に減圧されていることにより生じている。つまり、誘電体窓の両側の圧力差による力学的応力が働き、その誘電体窓が大面積になるほど大きくなり、窓が破損する危険性が増すことである。また、プラズマ生成に伴う発熱による熱的応力もさらに加わっている。

従って、その誘電体窓の厚みを厚くすれば破損に対する解決は得られるが、コスト高を招くだけでなく、マイクロ波の透過特性が劣化して、反射波の増大など整合が困難となる場合がある。また、誘電体窓の厚みを増すことにより、プラズマによって生じる熱的応力はさらに増大することとなり、大面積化された窓ほど耐圧性が求められる。

これらの応力による窓材の破壊を避ける方法としては、例えば、特許文献１には、複数の矩形状の導波管が等間隔且つ平行に配設された形の大面積表面波プラズマ処理装置が提案されている。このプラズマ装置は、導波管毎に複数のマイクロ波結合孔が設けられ、それらの結合孔を小さな誘電体窓で真空封止することにより、導波管と処理チャンバとの間の圧力差を小さく保持させている構成である。すなわち、大面積の１枚の窓を用いる代わりに、多数の小面積の窓を設けることにより、薄い窓材でも強度を保てるようにしている。

さらに、特許文献２においては、マイクロ波発信器に連結する導波管に、処理チャンバに設けた主たる真空ポンプとは別の真空ポンプを設けて導波管内を排気し、導波管内で異常放電が起きない程度の圧力（＞１０torr（１．３３×１０³Ｐａ））に設定し、処理チャンバ内の圧力（数mtorr〜数１００mtorr（数Ｐａ〜数１０Ｐａ））との差圧を小さくして機械的ストレスを下げる方法が提案されている。この特許文献３において、マイクロ波の入射側の導波管端部に排気口を形成して排気を行う構成である。この排気系体では、導波管と接合した誘電体導波路を真空導波管及び電磁波放射部に用いた一般的ではないプラズマ処理装置に適用される。
特開２００２−２８０１９６公報 特開平１１−０２６１８７号公報 マイクロ波プラズマの技術（オーム社）：第１５頁

前述したように、通常、無磁場のマイクロ波放電を用いて大面積の均一な高密度プラズマを生成し、所望するプラズマ処理を行うプラズマ処理装置は、被処理基板の大面積化や高速処理を実現しようとすると、マイクロ波入射に用いられる誘電体窓に加わる圧力差に起因する力学的応力やプラズマにより発生する熱的応力によって、誘電体窓が破損する危険性が増大する。

これらの問題を解決するものとして、前述した特許公報による技術などいくつかの提案されている。しかし、特許文献１に開示される技術においては、結合孔の数だけ真空を封止するためのシール部材を設ける必要があるため、処理チャンバ内の構造が複雑化し、部品点数の増加により、装置価格が高騰するという欠点がある。さらに、多数の小さな誘電体窓を固着させるために金属支持板を用いた場合には、発生する表面波がその金属表面を伝播しないため、プラズマは多数の誘電体窓上にスポット状に局在することとなり、特にチャンバ内雰囲気が高圧力下ではプラズマが不均一になる場合がある。全面に亘り均一的な大面積プラズマを生成するには、誘電体全面に対して均一にプラズマが接する構造が必要条件となる。

一方、特許文献２に記載される技術においては、第１に、導波管内に処理チャンバのための主たる真空ポンプとは別個に設けられた真空ポンプで排気する構成を有し、第２に、導波管内で異常放電が起きない程度の高圧力（１ｋＷでは１．３３×１０³Ｐａ以上）を保持している。しかし、別個に設けられた真空ポンプは、マイクロ波の入力端側に設けられており、特殊なマイクロ波の伝送及び放射方法（誘電体導波路を利用する装置）でのみ可能な技術である。換言すれば、最も多く用いられている導波管に直結したスロットアンテナを用いたマイクロ波放電方式には適用することができない。また、第２の異常放電防止のための圧力は、マイクロ波パワーと共に高くなるので、１０ｋＷでは１３.３×１０3Ｐａ以上となり、大気圧に近づくため、誘電体板の厚さを薄くすることが不可能となる。

尚、スロットアンテナを用いたマイクロ波放電方式に発生する異常放電は、マイクロ電界が最も強いスロットアンテナの近傍の微小空間で発生する。

以上のように、マイクロ波入射用の誘電体窓に加わる力学的応力と熱的応力を解消し、安定に大面積の均一な高密度プラズマを生成する技術としては、これまで提案されたいずれの特許文献に開示される技術を持ってしても十分とはいえない。

そこで本発明は、異常放電を防止しつつ均一で高密度な大面積プラズマを生成し、且つプラズマにより発生するマイクロ波入射用の誘電体窓に加わる力学的応力と熱的応力を減少させるプラズマを用いた処理装置及びプラズマを用いた処理方法を提供することを目的とする。

本発明は上記目的を達成するために、電磁波を発生する電磁波発生源と、一端が前記電磁波発生源と接合し、該電磁波発生源から発射された前記電磁波を取り込み、真空状態に減圧された導波路を伝播させる真空導波管と、前記真空導波管に結合し、伝播される前記電磁波を取り込み、電磁波放射を行うための電磁波放射部と、前記電磁波放射部と密着し、取り込まれた電磁波によりプラズマを発生させる第１の誘電体部材と、前記電磁波放射部と気密に係合され、前記第１の誘電体部材により発生されたプラズマにより、内部に装填された被処理基板に対して所望するプラズマ処理を施す処理チャンバと、を具備し、前記真空導波管内の圧力が前記プラズマ処理を行う際の前記処理チャンバ内の圧力よりも低いプラズマ処理装置を提供する。

さらに本発明は、前記電磁波発生源と前記真空導波管の前記一端との接合箇所に介在し、該電磁波発生源から出射した前記電磁波を通過させて該真空導波管内に導入し、且つ該真空導波管内の気密を保持する第２の誘電体部材と、前記真空導波管の他端に気密に接合し、該真空導波管内を所望する真空度まで減圧する排気システムとを具備する。前記真空導波管内の圧力は、プロセスに必要なマイクロ波パワーによって前記真空導波管内で異常放電が起こってしまう圧力よりも低い圧力である。

また、電磁波を発生する電磁波発生源と、一端が前記電磁波発生源と接合し、前記電磁波を伝播し、真空状態に減圧される真空導波管と、前記真空導波管と気密に係合された処理チャンバとからなるプラズマを用いた処理装置により前記処理チャンバ内に搬入された被処理基板を処理するに際し、前記真空導波管内の圧力前記処理チャンバ内の圧力よりも低い圧力に制御して処理するプラズマを用いた処理方法を提供する。

本発明は、異常放電を防止しつつ均一で高密度な大面積プラズマを生成し、且つプラズマにより発生するマイクロ波入射用の誘電体窓に加わる力学的応力と熱的応力を減少させるプラズマ処理装置及びプラズマ処理方法を提供することができる。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。
この実施形態は、内部を所定の真空度に保持する導波管を搭載する処理チャンバを有するプラズマを用いた処理装置である。このプラズマを用いた処理装置は、処理チャンバ内と導波管内の気圧差を大気圧との差に比べて減少させて、これらの間に設けられている電磁波（以下、マイクロ波と称する）を入射させるためのスロット板及び誘電体窓へ掛かる応力を減少させる技術である。さらに、このプラズマを用いた処理装置は、導波管内を所定の真空度に保つことにより、プラズマ発生期間における処理チャンバ内及び／又は導波管内に発生する異常放電を防止し、且つ無磁場のマイクロ波放電による均一で高密度な大面積の表面波プラズマを生成する装置である。

このプラズマを用いた処理装置のスロットアンテナ（電磁波放射部：スロット板）を用いたマイクロ波放電方式における異常放電は、マイクロ波電界が最も強いスロットアンテナの近傍の微小空間で発生することが判った。さらに、上記プラズマを用いた処理装置は、最も放電が起こりやすい圧力が存在し、その放電発生圧力から外れた圧力の場合には放電が起きにくく、特に真空に近い低圧力になると異常放電はほとんど発生しないことが判った。即ち、この実施形態は、導波管内を低圧力に保持して、処理チャンバと導波管の圧力差による応力を減少させ且つ、異常放電を防止するものである。この実施形態は、以下の説明において、従来の大気圧で使用される導波管に対して、真空状態で使用される導波管であるため、本実施形態では特に真空導波管と称している。

図１は、第１の実施形態に係るプラズマを用いた処理装置の真空導波管の長手方向（マイクロ波の進行方向）の概念的な断面構成を示して詳細に説明する。図２（ａ）は、図１におけるプラズマ処理装置を斜め上方向から見た斜め断面構成を示す図、図２（ｂ）は、真空導波管のＥ面及びＨ面を示す図である。

このプラズマを用いた処理装置は、大別して、シリコン基板やガラス基板等からなる被処理基板６が搬入される基板ステージ７および処理ガス供給管が設けられる処理チャンバ１と、処理チャンバ１上端部に気密に設けられるリング形状のスペーサ２と、スペーサ２の内側切欠部に嵌装される第１の誘電体部材３と、スペーサ２上に設けられで処理チャンバ１に電磁波例えばマイクロ波を放射するマイクロ波放射システム５とで構成される。

次に、各構成およびその作用について具体的に説明する。

処理チャンバ１の上蓋部には、処理チャンバ１内にマイクロ波を放射するアンテナ（電磁波放射部）として機能するスロット板４が、装置組み上げ時に第１の誘電体部材３に密着するように真空導波管１３に設けられている。

処理チャンバ１は、真空容器材料例えばステンレスやアルミニウム等の金属部材を用いて、上面がマイクロ波を導入するために開口する筒状気密容器である。処理チャンバ１には、使用される装置の種別（プラズマＣＶＤ装置、又はエッチング装置等）に応じて、内壁面に対して膜剥がれ防止処理や耐腐食処理を施すことが好ましい。処理チャンバ１内には、例えばシリコンウエハやガラス板等の被処理基板６を載置するための基板ステージ７が設けられている。この基板ステージ７は、被処理基板６を吸着し保持するための例えば静電チャック機能又は真空吸引によるチャック機能（共に図示せず）及び、被処理基板６を所望する温度に制御するための加熱／冷却機能（図示せず）を有している。さらに、基板ステージ７は、Ｚ方向に移動可能に構成されている。さらに、処理チャンバ１には、基板ステージ７に被処理基板６を装填及びチャンバ外に排出するための搬送機構（図示せず）やロードロック／アンロードロック機構（図示せず）を備えてもよい。さらに、基板ステージ７は、処理に応じた電位に設定されるように電源（図示せず）例えば接地電位に接続されている。

また、処理チャンバ１の側壁面には、処理チャンバ１内にプロセスガスや置換ガス等を導入するためのガス導入用ポート８が設けられ、例えば、マスフローコントロールバルブ等のガス導入バルブ（図示せず）を介してガス供給源９に接続され、必要に応じて適宜、ガス導入を行う。ガス供給源９には、処理に応じてプロセスガス源やプラズマ発生用ガス源が設けられる。

ガス導入用ポート８は、処理チャンバ１内で基板ステージ７より上方で第１の誘電体部材３間に配置され、処理される被処理基板６上のプロセスガスのガス濃度が均一になるように吹き出すためのガス分散機構（図示せず）に連結している。ガス分散機構としては、例えば、被処理基板６の外周上方に環状に配置されて、被処理基板６の複数箇所に向かう方向に多数のガス噴出孔が設けられたリング配管がある。

または、さらに、第１の誘電体部材３の処理チャンバ１側の面下方に表面波プラズマを発生させるためのガスシャワーヘッド板を設けてもよい。ガスシャワーヘッド板は、例えば第１の誘電体部材３の処理チャンバ１側の面下方に、第１の誘電体部材３と同じ材料で誘電体部材全面を覆うボード形状であり、且つ内部に流路が形成され、被処理基板６側の面全面方向にプラズマ発生用ガスを噴出する多数のガス噴出孔が設けられるガスシャワーヘッド板を第１の誘電体部材３に一体的に取り付けてもよい。この他にも、第１の誘電体部材３自身の内部に網羅するように内部ガス流路を形成し、内部ガス流路上の複数の箇所に、多数のガス噴出口を開口する内部通路構造であってもよい。この他にも種々の構成が考えられる。

表面波プラズマは、第１の誘電体部材３の処理チャンバ１側の面下方に発生する。この表面波プラズマから活性種は、プロセスガスを励起し、被処理基板６を処理する。

マイクロ波放射システム５は、例えば、１０ＭＨｚ〜２５ＧＨｚ程度のマイクロ波（電磁波）を発生させる電磁波源１１と、断面が矩形を成す角型筒形状に形成され、マイクロ波を処理チャンバ１内に放射させるために伝播する真空導波管１３と、電磁波源１１の照射口と真空導波管１３の一端（導入開口端１３Ａ側）とを接続するための接続導波管１２と、接続導波管１２と真空導波管１３の導入開口端１３Ａとの間に挿嵌して設けられ、マイクロ波の導入及び真空導波管１３内の気密を保持させるための第２の誘電体１４と、アンテナ（電磁波放射部）として機能して伝播されてくるマイクロ波を処理チャンバ１内に放射させるスロット板４と、を有している。

このスロット板４は、装置組み上げ時に第１の誘電体部材３と密着する位置で真空導波管１３に固着されている。スロット板４には、後述するスロット４ａが分散して配列するように設けられ、図２（ｂ）に示すように、Ｘ軸方向から見て、真空導波管１３のＥ面（両側面）またはＨ面（上下面）に各々対応させて設けることで、真空導波管１３内を伝播してきた電磁波を効率良く、処理チャンバ１内に導入することができる。本実施形態における真空導波管１３は、矩形に限定されるものではなく、円形あるいは環状であってもよい。

また、本実施形態の真空導波管１３内には、マイクロ波の通路となる内部に誘電体など何の部材も配置されていないため、誘電損失が無く、大電力の電磁波（マイクロ波）伝播時においても、高効率に電磁波を伝播させることができ、高密度プラズマの形成に有用である。各スロット４ａは、配置や開口面積や孔の形状等を適宜、調整することにより、真空導波管１３内を伝播してきたマイクロ波を均等に各スロット４ａから処理チャンバ１内に放射させて、均一な第１の誘電体部材３上の表面波を生成することができ、面内均一性の高いプラズマを発生することができる。

さらに真空導波管１３は、真空導波管１３の導入開口端１３Ａと対向する開口端１３Ｂに気密に設けられる導波管用排気ポート１５と、開口端１３Ｂと導波管用排気ポート１５の間に挿嵌して設けられ、マイクロ波の遮蔽とガス透過の機能を有する導波管端部材１６とを有している。

この真空導波管１３の一端側には、導波管終端部材１６および排気ポート１５を介して排気システム１９が接続されている。導波管終端部材１６は、例えば真空導波管１３を構成する耐圧機能と排気機能および入射した電磁波に対して反射作用を呈する。真空導波管１３の他端側には、第１の誘電体部材１４を介して接続導波管１２が接続されている。

第１の誘電体部材１４は、接続導波管１２より伝播された電磁波を高効率で透過する機能と、真空導波管１３を構成する耐圧機能とを有し、真空導波管１３の他端に気密に封止されている。排気システム１９は、真空導波管１３内の圧力がプラズマ処理を行う際の処理チャンバ１内の圧力よりも低い圧力に排気する。排気システム１９は、真空導波管１３内の圧力が、例えば処理チャンバ１内の圧力よりも桁違いに低い圧力に排気する。排気システム１９は、真空導波管１３内の圧力が、処理チャンバ１内の処理中の圧力に対して、少なくとも１.３３×１０^-2Ｐａより低圧に排気することが異常放電を防止するうえで望ましい。

真空導波管１３内の圧力を測定するための圧力センサは、第２の誘電体１４近傍に設置することが望ましい。処理チャンバ１内の圧力を測定するための圧力センサは、基板ステージ７とスロット板４間の処理チャンバ１内壁面に設置することが望ましい。排気システム１９は、処理チャンバ１内に設けられた圧力センサ出力値および真空導波管１３内に設けられた圧力センサ出力値を監視し、所定の圧力比になるように制御して排気することができる。所定の圧力差になるように制御して排気する手段としては、真空導波管１３内排気用真空ポンプと処理チャンバ１内排気用真空ポンプとを夫々独立に設けてもよい。所定の圧力差になるように制御して排気する他の手段としては、１台又は共通の真空ポンプ系を使用し、処理チャンバ用排気ポート８および導波管用排気ポート１５の管径比を選択してもよい。

導波管端部材１６には、例えば金属メッシュや、多数のパンチ穴が開口された金属板が適用される。導波管端部材１６には、電磁波を遮断するための電磁波の遮断例えば反射と、真空導波管１３内を真空にするための排気孔を有する真空封止の両方の機能を持たせることができ、装置構造を簡略化することができる。パンチ穴の径やメッシュの目の大きさは、使用するマイクロ波の波長より小さく装置構成又は排気特性等により適宜設定すればよい。導波管端部材１６に設けられる孔の大きさは、例えば、マイクロ波の波長に対して十分小さい径の孔を全面に多数開口する導体板で且つ、マイクロ波に対して、十分な遮断例えば反射板となり、一方ガスを透過させることができる大きさである。

また、導波管端部材１６においては、表面を高抵抗材料や誘電損失の大きい材料で被覆することで、電磁波を吸収させることもできる。この場合、真空導波管１３内に反射波が生じなくなる為、プラズマの状態変化によるインピーダンスの変化に対しても真空導波管１３内に安定してマイクロ波を伝播させることができる。

導波マイクロ波管端部材１６の材料においてもプロセスガスに対して耐腐食性を持つ材料又は、表面に耐腐食性コーティングを施したものが好ましい。

さらに、処理チャンバ１の処理チャンバ用排気ポート２５からバルブ１７を介して、真空導波管１３の導波管用排気ポート１５からバルブ１８を介して夫々排気システム１９に接続されている。バルブ１７，１８は、例えばゲートバルブ及び可変絞りバルブにより構成され、排気量（開口量）が調整可能に構成されている。排気システム１９は、ＣＶＤ装置など処理チャンバ内にある程度のプロセスガスを流すプロセス工程を含む装置の場合には、真空ポンプとして、ターボモリキュラポンプ等の排出型ポンプが好適であり、バルブ操作により処理チャンバ１内及び真空導波管１３内を後述する所望真空度まで排気することができる。尚、処理チャンバ１及び真空導波管１３の排気をターボモリキュラポンプとバルブの切り換えを用いて行う場合には、ドライポンプ等の粗引きポンプを併用することが好ましい。勿論、処理チャンバ１及び真空導波管１３には、それぞれに独立した排気システムを設けてもよい。装置仕様にもよるが、真空導波管１３内の真空度として１０^-3Ｐａ程度をＭＡＸとするのであれば、高性能なドライポンプのみで実現することもできる。尚、導波管用排気ポート１５内に液体窒素等で冷却されたトラップ（図示せず）を配置しておけば、処理チャンバ１から漏れ出たプロセスガスや生成物又はダストを吸着して、真空ポンプへの吸い込みやターボファンへの付着を防止することができる。

このような排気システム１９は、真空導波管１３内に入射されたマイクロ波が導波管端部材１６で反射されて、マイクロ波が排気配管に侵入することなく排気し、真空導波管１３内を所望する真空度まで減圧することができる。

前述したスペーサ２は、金属材料からなり、処理チャンバ１の上面縁に嵌合する環形状を成し、第１の誘電体部材３を嵌装した状態で処理チャンバ１と第１の誘電体部材３の間に介在するように配置される。本実施形態では、処理チャンバ１とスペーサ２の間及び、スペーサ２と真空導波管１３の間は、Ｏリング１０ａ，１０ｂを用いて、真空保持できるように気密に構成される。この他にも、Ｏリングは、排気ポートやガス導入ポートにおける配管接続に用いられる。このＯリングを用いるのは、構成部位の装脱を想定したものであり、着脱をしない構成部位間については、金属ガスケットを用いてもよい。

本実施形態の第１の誘電体部材３及び第２の誘電体１４は、マイクロ波を透過させ、且つ気体（ガス）には不透過の特性を持つ部材により形成されており、例えば、石英又は、アルミナ等が好ましく、またフッ素樹脂を適用することもできる。これらの材料は、被処理基板の種別やプロセス工程に応じて適宜、選択して使用すればよい。尚、図１に示す第１の誘電体部材３においては、１枚の部材として説明しているが、生成されるプラズマの大面積化が図られると、窓（処理チャンバ１の上面開口部分）の開口面積が大きくなり、即ち、窓を塞ぐ第１の誘電体部材３も大面積化する。そこで１枚の部材では強度的にも厚くする必要があるため、図２に示すように適当な幅に切断した部分第１の誘電体部材３ａとし、これらの両端がスペーサ２の窓縁の鍔２ａに掛架するように隙間無く並べて用いてもよい。第１の誘電体板３の厚さは、誘電体板厚の電磁波に対する影響がなるべく小さくなればよく、例えば、λ／４（この場合、λは誘電体内波長）の厚さ、具体的に石英では板厚を１０ｍｍ程度が好ましい。第１の誘電体板３の幅については、開口面積に応じて適宜設定すればよい。

図３には、本実施形態における電磁波放射部となるスロット板４を上方向（真空導波管１３側）から見た外観構成を示す。
このスロット板４は、金属材料により板状に形成され、真空導波管１３内に伝播されるマイクロ波を処理チャンバ１に放射するための孔（貫通穴）からなる複数のスロット４ａが、スロット板全面に亘り均一的に開口されている。本実施形態では、図３に示すように、２列で千鳥配置された例を示している。この例では、スロット４ａの形状を長方形としているが勿論、これに限定されるものではない。

このスロット板４は、図示しないネジにより真空導波管１３側にネジ止め固定されている。処理チャンバ側のスロット板４面を覆うように第１の誘電体部材３を設けることで、真空導波管内を伝播してきたマイクロ波を効率良く、処理チャンバ内に導入することができる。更に、プラズマの電子密度をカットオフ密度より高めることで、第１の誘電体部材３表面に表面波を伝播させることができ、表面波プラズマによる面内均一性の高いプラズマ処理が可能となる。

このように構成されたプラズマ処理装置における真空導波管１３の減圧と表面波プラズマ発生について説明する。
まず、本実施形態における処理チャンバ１内の基板ステージ７に被処理基板６を装填する。処理チャンバ１及びマイクロ波放射システム５の真空導波管１３を気密にした後、それぞれを排気システムにより排気し、処理チャンバ１内をプロセス工程に基づいた真空度まで排気し、一方、真空導波管１３内は少なくとも１×１０^-4torr（１.３３×１０^-2Ｐａ）程度まで排気し維持する。その後、処理チャンバ１内にガス供給源よりプロセス工程に従うプロセスガスを導入して、予め定めた真空度における雰囲気を設定する。

本実施形態において、この雰囲気における処理チャンバ１内の真空度は、第１の誘電体部材３への応力を減少させるために真空導波管１３内の真空度と比較的近いことが好ましい。例えば、プロセス処理時の処理チャンバ１内の真空度が数torr（数１００Ｐａ）であった場合に、真空導波管１３内の真空度を１.３３×１０^-2Ｐａ程度とする。この雰囲気が設定された後、電磁波源１１によりマイクロ波を発生させて真空導波管１３に入射する。入射されたマイクロ波は真空導波管１３内を伝播し、アンテナとなるスロット板４のスロット４ａから処理チャンバ１内に放射される。

この時、マイクロ波が第１の誘電体部材３の全表面において、表面波となってプラズマを発生させる。この表面波プラズマは、大面積で且つ面内均一性が高いプラズマ処理を可能とする。

本実施形態の排気システム１９は、マイクロ波のみを遮断して分離した気体を導波管用排気ポート１５を通じて真空導波管１３内を排気する。このような真空導波管１３の端部にマイクロ波の透過を遮断する部材を設け、この部材に連結する排気ポート１５に排気システムを繋ぐことで、処理チャンバ１と独立し、排気のコンダクタンスを悪化させることもなくなる。尚、本実施形態の構成は、前述した特許文献３と比較すると、特許文献３のように真空導波管１３のマイクロ波入力側（導入開口端１３Ａ側）にマイクロ波を導波する排気ポートを設けて排気する構成ではなく、マイクロ波が減衰しているエリアから更にマイクロ波を遮断する機構を通して、真空導波管１３内の気体を排気する点が異なっている。特に、真空導波管内の異常放電を防止するために、特許文献３では処理チャンバ内の圧力よりも導波管内の圧力を陽圧例えば高圧力の１．３３×１０³Ｐａ以上に保持させているのに対して、本実施形態では逆に処理チャンバ内の圧力よりも真空導波管１３の圧力を負圧例えば１.３３×１０^-2Ｐａに保持させている点でも異なっている。

従って、本実施形態のプラズマを用いた処理装置によれば、真空導波管１３内の圧力をプラズマ処理中の処理チャンバ１内の圧力より低く設定することにより、強電界となる真空導波管１３内や電磁波放射部での異常放電を防止することができる。さらに、真空導波管１３内の圧力がプラズマ処理中の処理チャンバ１内の圧力より低いため、真空導波管１３内と処理チャンバとの間の気密性が不十分であっても、真空導波管１３から処理チャンバ内に不純物が混入することがない。

そのため、真空導波管１３と処理チャンバ１との間の気密性が低くても何ら問題はなく、本実施形態においても、Ｏリングなどのシール部材による気密保持は簡略化している。勿論、シール部材を介在させて気密性を持たせても、高品質なプラズマ処理が可能である。尚、 真空導波管１３と処理チャンバ１との間にシール部材を設けてそれぞれを気密にさせる場合には、スロット板４と第１の誘電体部材３が表面波プラズマの発生により高熱となるため、真空導波管１３とスペーサ２との間にプラズマの回り込みを考慮して、耐熱性を持つ例えば、メタルガスケット等により気密にする。

以上のように構成される本実施形態における効果について説明する。

・プラズマ処理装置によれば、真空導波管１３内を高真空の圧力（少なくとも１×１０^-4Ｔorr（１.３３×１０^-2Ｐａ）程度を維持し、プラズマ処理中の処理チャンバ１内の圧力より低くするため、強電界となる真空導波管１３内や電磁波放射部での異常放電を防止することができる。この時、真空導波管１３内の圧力がプラズマ処理中の処理チャンバ１内の圧力より低いため、真空導波管１３内と処理チャンバ１との間の封止が不十分であっても、真空導波管１３から処理チャンバ１内に不純物が混入することはない。従って、真空導波管１３と処理チャンバ１間の封止部分を簡略化した構造であっても、高品質なプラズマ処理は可能である。

・プラズマ処理装置によれば、真空導波管１３内のマイクロ波の入射側に設けた誘電体部材により真空導波管内の気密を保持することで、Ｏリング等のシール部材による真空封止領域を小さくすることができ、封止構造の簡略化が容易になる。

・真空導波管１３末端のマイクロ波の反射側に設けた導波管端部材１６が伝播されてくるマイクロ波を反射し、気体を透過させる構造であるため、真空排気のための排気ポートを別途設ける必要が無く排気構造が簡略化され、排気のコンダクタンスを悪化させることもなくなる。

・スロット板４を覆うように第１の誘電体部材１４を設けた構造により伝播されてくるマイクロ波を効率良く処理チャンバ１内に導入し、プラズマの電子密度をカットオフ密度より高めることで、第１の誘電体部材１４表面に表面波を伝播させて、生成された表面波プラズマによる面内均一性の高いプラズマ処理が可能である。

・真空導波管１３は、マイクロ波を伝播する領域に部材が設けられていないため損失が僅かで、大電力においても、高効率にマイクロ波を伝播させて、高密度プラズマを生成するため有用である。

・スロット板４に配置される各スロット４ａの位置、大きさ及び形状を調整することにより、真空導波管１３を伝播してきたマイクロ波を均等に各スロット４ａから放射させて、面内均一性の高い表面波プラズマが生成されるようにマイクロ波を処理チャンバ１内に導入することができる。

・本実施形態のプラズマを用いた処理装置は、例えば、薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）や金属酸化物半導体素子（ＭＯＳ素子）のような半導体素子、半導体集積回路装置のような半導体装置、或いは、液晶表示装置のような表示装置のＴＦＴ回路の製造プロセス等に適用することができる。

次に図５は、本発明の第２の実施形態に係るプラズマを用いた処理装置の概念的な構成を示して詳細に説明する。本実施形態の構成部位において、前述した第１の実施形態における構成部位と同等のものには同じ参照符号を付して詳細な説明は省略する。
前述した第１の実施形態では、プラズマ処理装置には各１つの電磁波源１１と真空導波管１３等によるマイクロ波放射システムを搭載した例について説明している。実際に、このようなマイクロ波を用いる真空導波管１３をプラズマ処理装置に搭載した場合、被処理基板がシリコンウエハ程度の直径（最大３００ｍｍ程度）を有する比較的小面積のものであれば、各１つの電磁波源１１と真空導波管１３によるマイクロ波放射システムでも実現できる。しかし、被処理基板が表示面積の大面積化が求められているディスプレスに用いられる。例えば、４５インチ（約１ｍ）以上の液晶デバイス基板等であれば、処理チャンバもこれに対応できる大きさを有し、マイクロ波放射システムにおいても対応させなければならない。

そこで、第２の実施形態では、第１の実施形態と同等に構成される電磁波源１１ａ〜１１ｄ及び真空導波管１３ａ〜１３ｄの各４台を用いて、各一台を組として、被処理体の面内均一性が高いプラズマ処理が行われる表面波プラズマを生成するように、これらを配置する。つまり、第１の実施形態における長方形の真空導波管を４つ並べて略正方形の表面波プラズマを生成する構成である。本実施形態では、プラズマ発生面を略正方形としているが、勿論、その形状は限定されるものではなく、基板形状又は処理チャンバ形状に合わせて適宜、模ればよい。

本実施形態では、図４に示すように４列に真空導波管１３ａ〜１３ｄを平行に並べ、それぞれの真空導波管１３のマイクロ波入力側（導入開口端１３Ａ側）に分配用導波管２１の出射口を気密に接続し、さらに入射口側には、１つの電磁波源１１に接続して構成する。勿論、分配用導波管２１を用いずに、それぞれの真空導波管１３ａ〜１３ｄに電磁波源１１を設けてもよい。

これらの真空導波管１３ａ〜１３ｄの間の距離やスロット板４の大きさ（各スロットの配置位置）は、経験的又はコンピュータを用いたシミュレーション等により設定する。本実施形態では、スロット４ａは図５に示すように配置され、第１の実施形態（図３）のスロット板４の各スロット４ａと同等であり、スロット４ａを真空導波管のＥ面またはＨ面に各々対応させて設けている。

排気システムにおいては、各真空導波管１３ａ〜１３ｄが同時に同じ真空度となるような排気特性が得られるシステムであればよい。特に、排気の際に各真空導波管１３ａ〜１３ｄが異なる真空度となると、それぞれに異なる応力が発生し、さらに処理チャンバ１の真空度に対して著しくバラツキを持った場合には、応力が一番掛かっている箇所に損傷を発生させる虞があるため、均一排気されなければならない。

また、処理チャンバ１と各真空導波管１３ａ〜１３ｄとにおいても同時に同じ様な真空度となるように排気を行う。排気システム１９としては、１台の真空ポンプを各真空導波管１３ａ〜１３ｄの排気ポート１５にそれぞれにバルブを介して接続する。処理チャンバ用の真空ポンプは、各真空導波管用真空ポンプとは別個のものを設けてもよいし、前述した第１の実施形態と同様に、１台の真空ポンプで処理チャンバ１と各真空導波管１３ａ〜１３ｄの排気を行ってもよい。

このように構成された本実施形態によれば、複数のマイクロ波放射用の真空導波管１３を有し、また複数のスロット４ａを、真空導波管１３のＥ面またはＨ面に各々対応させて設けて、真空導波管１３内を伝播されるマイクロ波を効率良く、処理チャンバ１内に導入することができる。

本実施形態によれば、処理チャンバ１内において表面波プラズマを発生させて処理を行っている際に、真空導波管１３内の圧力を処理チャンバ１内の圧力より負圧で真空に保持させることにより、広い放電圧力範囲と広いマクロ波入射電力の範囲において、異常放電を防止することが可能である。

例えば、導波管１本当たりの２．４５ＧＨｚのマイクロ波入力６ｋＷ、長尺の処理チャンバ１（Ｌ１ｍｘＷ０．３ｍｘＨ０．３ｍ）内のアルゴン雰囲気内で真空度（プロセス圧力）１００ｍＴｏｒｒ（１．３３Ｐａ）の条件で、真空導波管１３内の真空度が処理チャンバ１内の圧力より負圧の例えば真空度１０-⁴Ｔｏｒｒ（１．３３×１０^-2Ｐａ）のときに、強電界となる真空導波管１３内や電磁波源１１による異常放電を防止することができている。

真空導波管１３内の真空度は、処理チャンバ１内の圧力より負圧で、１０^−４Ｔｏｒｒ以下が最適である。

また、前述した第１の実施形態と同様に、プラズマ処理中の処理チャンバ１内圧力は、１Ｐａより高いため、真空導波管１３内の真空度が１.３３×１０^−２Ｐａ以下であった場合、真空導波管１３内と処理チャンバ１との間の真空封止が不十分であっても、真空導波管１３内の圧力に比べて処理チャンバ１内が陽圧であるため、真空導波管１３内にガスが漏れ出ることはあっても、処理チャンバ１内に不純物が混入することがなく、封止部を簡略化した構造でも、高品質なプラズマを用いた処理が可能になる。

以上のことから本実施形態の効果は、前述した第１の効果に加えて、広く面積を有する被処理基板に対して、異常放電を防止し、且つ無磁場のマイクロ波放電による均一で高密度な大面積の表面波プラズマを生成することが可能なプラズマを用いた処理装置である。

尚、このプラズマを用いた処理装置は、半導体デバイス製造、表示デバイス製造等々に用いられるプラズマＣＶＤ等の成膜装置、再結晶化処理や熱反応処理（窒化や酸化）などを行う熱処理装置、ドライエッチングを行うエッチング装置に対して容易に搭載して前述した効果を得ることができる。

上記実施形態では、第１の誘電体部材３の処理チャンバ１内壁面近傍に表面波プラズマを発生させ、この表面波プラズマにより生成された活性粒子によりプロセスガスを励起して、成膜またはエッチングをする１種のリモートプラズマを利用した処理装置の例について説明したが、処理チャンバ１内に入射した電磁波によりプロセスガスを励起して、発生したプラズマにより被処理基板を処理してもよい。

本発明の第１の実施形態に係るプラズマ処理装置の概念的な構成を示す図である。 図２（ａ）は、図１におけるプラズマ処理装置を斜め上方向から見た斜め断面構成を示す図、図２（ｂ）は、真空導波管のＥ面及びＨ面を示す図である。 第１の実施形態におけるスロット板におけるスロットの配置例を示す図である。 本発明の第２の実施形態に係るプラズマ処理装置の概念的な構成を示す図である。 第２の実施形態におけるスロット板におけるスロットの配置例を示す図である。

符号の説明

１…処理チャンバ、２…スペーサ、３…第１の誘電体部材、４…スロット板、５…マイクロ波放射システム、６…被処理基板、７…基板ステージ、８…処理チャンバ用排気ポート８、１１…電磁波源、１２…接続導波管、１３…真空導波管、１３ａ…導入開口端、１３ｂ…開口端、１４…第２の誘電体、１５…導波管用排気ポート、１６…導波管端部材、１７…バルブ、１８…バルブ、１９…排気システム。

Claims (9)

1. 電磁波を発生する電磁波発生源と、
   一端が前記電磁波発生源と接合し、該電磁波発生源から発射された前記電磁波が入射し、真空状態に減圧された導波路を伝播させる真空導波管と、
   前記真空導波管と気密に係合され、前記真空導波管から放射された電磁波により発生したプラズマを用いて処理を施す処理チャンバと、を具備し、
   前記真空導波管内の圧力を前記処理チャンバ内の圧力よりも低い圧力に設定する排気システムを設けてなることを特徴とするプラズマを用いた処理装置。
2. 前記真空導波管は、前記電磁波発生源側端部にこの電磁波発生源からの電磁波を通過させ気密封止する誘電体隔壁と、他端に前記電磁波を遮断し、ガスを通過させる導波管端部材を設けてなることを特徴とする請求項１に記載のプラズマを用いた処理装置。
3. 前記真空導波管と前記処理チャンバとの接合面には、前記真空導波管を伝播した電磁波が前記処理チャンバ内に通過し、前記真空導波管内の圧力を前記処理チャンバ内の圧力より低圧に設定できる誘電体部材を気密に設けてなることを特徴とする請求項１に記載のプラズマを用いた処理装置。
4. 電磁波を遮断し、ガスを通過させる導波管端部材は、電磁波を反射及び吸収の少なくとも一方の機能を有し、前記電磁波の波長以下の孔径を有する孔を有することを特徴とする請求項２に記載のプラズマを用いた処理装置。
5. 前記電磁波放射部は、導体材料から成り、伝播されている前記電磁波を取り込むための１つ又は複数のスロットが開口されたスロット板を具備し、
   前記第１の誘電体部材が前記スロット板の前記処理チャンバ側の全面を覆い且つ、密着するように一体的に設けられ、取り込まれた前記電磁波により該第１の誘電体部材の表面に表面波プラズマを生成することを特徴とする請求項１に記載のプラズマ処理装置。
6. 前記スロット板は、前記真空導波管におけるＥ面またはＨ面に対応させて設けられていることを特徴とする請求項５に記載のプラズマ処理装置。
7. 前記真空導波管は、方形、円形あるいは環状を有していることを特徴とする請求項１に記載のプラズマ処理装置。
8. 前記真空導波管内の圧力は、プロセスに必要なマイクロ波パワーによって前記真空導波管内で異常放電が起こってしまう圧力よりも低い圧力であることを特徴とする請求項１に記載のプラズマ処理装置。
9. 電磁波を発生する電磁波発生源と、一端が前記電磁波発生源と接合し、前記電磁波を伝播し、真空状態に減圧される真空導波管と、前記真空導波管と気密に係合された処理チャンバとからなるプラズマを用いた処理装置により前記処理チャンバ内に搬入された被処理基板を処理するに際し、
   前記真空導波管内の圧力前記処理チャンバ内の圧力よりも低い圧力に制御して処理することを特徴とするプラズマを用いた処理方法。

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