JP2022123728A - プラズマ処理装置およびプラズマ処理方法 - Google Patents

Abstract

【課題】処理容器内にガスを供給する配管内の放電を抑制する。
【解決手段】プラズマ処理装置は、基板を収容する処理容器と、プラズマ生成部と、第１の導電部材と、第２の導電部材と、配管とを備える。プラズマ生成部は、処理容器内に電磁波を供給することにより処理容器内にプラズマを生成させ、プラズマにより基板を処理する。第１の導電部材は、処理容器内に配置される。第２の導電部材は、第１の導電部材との間で予め定められた電位差を有する。配管は、誘電体で形成されており、第１の導電部材と第２の導電部材との間に配置され、ガスを第２の導電部材から第１の導電部材へ流通させる。配管には、ガスが流通する流路が屈曲状または湾曲状に形成されている。第２の導電部材から第１の導電部材に向う方向において、配管を構成する部材を挟んで流路に隣接する配管内の位置には、配管を構成する部材よりも比誘電率が低い物質が配置される空間が形成されている。
【選択図】図３

Description

本開示の種々の側面および実施形態は、プラズマ処理装置およびプラズマ処理方法に関する。

プラズマを用いて基板の処理を行う装置では、プラズマを生成するために処理容器内にガスが供給される。プラズマが生成される処理容器内に配置される部材の中には、高い電位に設定される部材がある。処理容器の筐体は接地電位等の低い電位に設定されるため、高い電位に設定された部材と処理容器の筐体との間にガスを供給する配管が配置されると、配管内には電位差に応じた電界が発生する場合がある。配管内に電界が発生すると、配管内に進入した電子等の荷電粒子が配管内で加速され、配管内のガスの原子と衝突することにより、配管内で放電（アーキング）が発生する場合がある。これを防止するために、配管内に螺旋状の流路を設ける技術が知られている（例えば下記特許文献１参照）。これにより、電界方向における配管内の空間の長さを短くすることができ、電子の加速を抑え、配管内での放電を抑制することができる。

特開２００４－３５６５３１号公報

本開示は、処理容器内にガスを供給する配管内の放電を抑制することができるプラズマ処理装置およびプラズマ処理方法を提供する。

本開示の一側面は、プラズマ処理装置であって、処理容器と、プラズマ生成部と、第１の導電部材と、第２の導電部材と、配管とを備える。処理容器は、基板を収容する。プラズマ生成部は、処理容器内に電磁波を供給することにより処理容器内にプラズマを生成させ、プラズマにより基板を処理する。第１の導電部材は、処理容器内に配置される。第２の導電部材は、第１の導電部材との間で予め定められた電位差を有する。配管は、誘電体で形成されており、第１の導電部材と第２の導電部材との間に配置され、ガスを第２の導電部材から第１の導電部材へ流通させる。配管には、ガスが流通する流路が屈曲状または湾曲状に形成されている。第２の導電部材から第１の導電部材に向う方向において、配管を構成する部材を挟んで流路に隣接する配管内の位置には、配管を構成する部材よりも比誘電率が低い物質が配置される空間が形成されている。

本開示の種々の側面および実施形態によれば、処理容器内にガスを供給する配管内の放電を抑制することができる。

図１は、本開示の一実施形態におけるプラズマ処理システムの構成の一例を示すシステム構成図である。 図２は、本開示の一実施形態におけるプラズマ処理装置の構造の一例を示す概略断面図である。 図３は、配管の構造の一例を示す拡大断面図である。 図４は、比較例における配管のモデルの一例を示す模式図である。 図５は、本実施形態における配管のモデルの一例を示す模式図である。 図６は、気圧および電極間距離と放電電圧との関係の一例を示す図である。 図７は、本開示の一実施形態におけるプラズマ処理方法の一例を示すフローチャートである。 図８は、配管の構造の他の例を示す拡大断面図である。 図９は、配管の構造の他の例を示す拡大断面図である。 図１０は、配管の構造の他の例を示す拡大断面図である。

以下に、プラズマ処理装置およびプラズマ処理方法の実施形態について、図面に基づいて詳細に説明する。なお、以下の実施形態により、開示されるプラズマ処理装置およびプラズマ処理方法が限定されるものではない。

ところで、近年の三次元構造の半導体装置では、高いアスペクト比の溝の形成が必要とされている。高いアスペクト比の溝を形成するためには、高い電圧かつ高いパワーのＲＦ（Radio Frequency）電力を用いた処理が必要になる。プラズマ処理に高い電圧かつ高いパワーのＲＦ電力が用いられると、配管内に発生する電界も大きくなり、配管内の荷電粒子がより短い距離で加速されてしまう。これにより、配管内での放電が発生しやすくなる。そのため、配管内での放電をさらに抑えることが求められている。

そこで、本開示は、処理容器内にガスを供給する配管内の放電を抑制することができる技術を提供する。

［プラズマ処理システム１００の構成］
図１は、本開示の一実施形態におけるプラズマ処理システム１００の構成の一例を示すシステム構成図である。一実施形態において、プラズマ処理システム１００は、プラズマ処理装置１及び制御部２を含む。プラズマ処理装置１は、プラズマ処理チャンバ１０、基板支持部１１及びプラズマ生成部１２を含む。プラズマ処理チャンバ１０は、プラズマ処理空間を有する。また、プラズマ処理チャンバ１０は、少なくとも１つの処理ガスをプラズマ処理空間に供給するための少なくとも１つのガス供給口と、プラズマ処理空間からガスを排出するための少なくとも１つのガス排出口とを有する。ガス供給口は、後述するガス供給部２０に接続され、ガス排出口は、後述する排気システム４０に接続される。基板支持部１１は、プラズマ処理空間内に配置され、基板を支持するための基板支持面を有する。

プラズマ生成部１２は、プラズマ処理空間内に供給された少なくとも１つの処理ガスからプラズマを生成するように構成される。プラズマ処理空間において形成されるプラズマは、容量結合プラズマ（ＣＣＰ；Capacitively Coupled Plasma）、誘導結合プラズマ（ＩＣＰ；Inductively Coupled Plasma）、ＥＣＲプラズマ（Electron-Cyclotron-resonance plasma）、ヘリコン波励起プラズマ（ＨＷＰ：Helicon Wave Plasma）、又は、表面波プラズマ（ＳＷＰ：Surface Wave Plasma）等であってもよい。また、プラズマ生成部１２としては、例えばＡＣ（Alternating Current）プラズマ生成部及びＤＣ（Direct Current）プラズマ生成部を含む、種々のタイプのプラズマ生成部が用いられてもよい。一実施形態において、ＡＣプラズマ生成部で用いられるＡＣ信号（ＡＣ電力）は、１００ｋＨｚ～１０ＧＨｚの範囲内の周波数を有する。従って、ＡＣ信号は、ＲＦ信号及びマイクロ波信号を含む。一実施形態において、ＲＦ信号は、２００ｋＨｚ～１５０ＭＨｚの範囲内の周波数を有する。ＲＦ信号は、電磁波の一例である。

制御部２は、本開示において述べられる種々の工程をプラズマ処理装置１に実行させるコンピュータ実行可能な命令を処理する。制御部２は、ここで述べられる種々の工程を実行するようにプラズマ処理装置１の各要素を制御するように構成され得る。一実施形態において、制御部２の一部又は全てがプラズマ処理装置１に含まれてもよい。制御部２は、例えばコンピュータ２ａを含んでもよい。コンピュータ２ａは、例えば、処理部（ＣＰＵ；Central Processing Unit）２ａ１、記憶部２ａ２、及び通信インターフェース２ａ３を含んでもよい。処理部２ａ１は、記憶部２ａ２に格納されたプログラムに基づいて種々の制御動作を行うように構成され得る。記憶部２ａ２は、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）、ＳＳＤ（Solid State Drive）、又はこれらの組み合わせを含んでもよい。通信インターフェース２ａ３は、ＬＡＮ（Local Area Network）等の通信回線を介してプラズマ処理装置１との間で通信してもよい。

［プラズマ処理装置１の構成］
以下に、プラズマ処理装置１の一例としての容量結合型のプラズマ処理装置の構成例について説明する。図２は、本開示の一実施形態におけるプラズマ処理装置１の構造の一例を示す概略断面図である。容量結合型のプラズマ処理装置１は、プラズマ処理チャンバ１０、ガス供給部２０、電源３０及び排気システム４０を含む。また、プラズマ処理装置１は、基板支持部１１及びガス導入部を含む。ガス導入部は、少なくとも１つの処理ガスをプラズマ処理チャンバ１０内に導入するように構成されている。ガス導入部は、シャワーヘッド１３を含む。基板支持部１１は、プラズマ処理チャンバ１０内に配置されている。シャワーヘッド１３は、基板支持部１１の上方に配置されている。一実施形態において、シャワーヘッド１３は、プラズマ処理チャンバ１０の天部（Ceiling）の少なくとも一部を構成する。プラズマ処理チャンバ１０は、シャワーヘッド１３、プラズマ処理チャンバ１０の側壁１０ａ及び基板支持部１１により規定されたプラズマ処理空間１０ｓを有する。プラズマ処理チャンバ１０は、例えばアルミニウム等の導電性材料により構成され、側壁１０ａおよび底部１０ｂは接地されている。シャワーヘッド１３及び基板支持部１１は、プラズマ処理チャンバ１０筐体とは電気的に絶縁されている。プラズマ処理チャンバ１０は、処理容器の一例である。

基板支持部１１は、本体部１１１及びリングアセンブリ１１２を含む。本体部１１１は、本体部１１１の中央領域であり基板Ｗを支持するための基板支持面１１１ａと、本体部１１１の環状領域でありリングアセンブリ１１２を支持するためのリング支持面１１１ｂとを有する。基板Ｗは、ウェハと呼ばれることもある。本体部１１１のリング支持面１１１ｂは、平面視で本体部１１１の基板支持面１１１ａを囲んでいる。基板Ｗは、本体部１１１の基板支持面１１１ａ上に配置され、リングアセンブリ１１２は、本体部１１１の基板支持面１１１ａ上の基板Ｗを囲むように本体部１１１のリング支持面１１１ｂ上に配置されている。一実施形態において、本体部１１１は、基台及び静電チャックを含む。基台は、導電性部材を含む。基台の導電性部材は下部電極として機能する。静電チャックは、基台の上に配置されている。静電チャックの上面は、基板支持面１１１ａを有する。リングアセンブリ１１２は、１又は複数の環状部材を含む。１又は複数の環状部材のうち少なくとも１つはエッジリングである。また、図示は省略するが、基板支持部１１は、静電チャック、リングアセンブリ１１２及び基板のうち少なくとも１つをターゲット温度に調節するように構成される温調モジュールを含んでもよい。温調モジュールは、ヒータ、伝熱媒体、流路、又はこれらの組み合わせを含んでもよい。流路には、ブラインやガスのような伝熱流体が流れる。

また、基板支持部１１は、基板Ｗの裏面と基板支持面１１１ａとの間に、例えばヘリウム（Ｈｅ）ガス等の伝熱ガスを供給するように構成された伝熱ガス供給部を有する。伝熱ガス供給部は、ＰＴＦＥ（PolytTtraFluoroEthylene）等の誘電体で形成されており、伝熱ガスを流通させる配管５０を含む。配管５０は、本体部１１１と、プラズマ処理チャンバ１０の底部１０ｂとの間に配置されており、底部１０ｂから本体部１１１へ伝熱ガスを流通させる。配管１４を介して配管５０内に供給された伝熱ガスは、配管５０内に形成された流路内を流れ、本体部１１１内に形成された流路１１１ｃを介して、基板支持面１１１ａと基板Ｗとの間に供給される。

また、配管５０内には、伝熱ガスの流路とは別に、空間が設けられている。当該空間内のガスは、配管１５および圧力調整弁１５ａを介して、排気システム４０によって排気される。配管１５には、圧力センサ１５ｂが設けられている。

本体部１１１とプラズマ処理チャンバ１０の底部１０ｂとは電気的に絶縁されており、本体部１１１には、電源３０からＲＦ信号（ＲＦ電力）が供給され、プラズマ処理チャンバ１０の底部１０ｂは接地されている。そのため、本体部１１１とプラズマ処理チャンバ１０の底部１０ｂとの間には、電位差が生じる。本体部１１１は、第１の導電部材の一例であり、プラズマ処理チャンバ１０の底部１０ｂは、第２の導電部材の一例である。

シャワーヘッド１３は、ガス供給部２０からの少なくとも１つの処理ガスをプラズマ処理空間１０ｓ内に導入するように構成される。シャワーヘッド１３は、少なくとも１つのガス供給口１３ａ、少なくとも１つのガス拡散室１３ｂ、及び複数のガス導入口１３ｃを有する。ガス供給口１３ａに供給された処理ガスは、ガス拡散室１３ｂを通過して複数のガス導入口１３ｃからプラズマ処理空間１０ｓ内に導入される。また、シャワーヘッド１３は、導電性部材を含む。シャワーヘッド１３の導電性部材は上部電極として機能する。なお、ガス導入部は、シャワーヘッド１３に加えて、側壁１０ａに形成された１又は複数の開口部に取り付けられる１又は複数のサイドガス注入部（ＳＧＩ：Side Gas Injector）を含んでもよい。

ガス供給部２０は、少なくとも１つのガスソース２１及び少なくとも１つの流量制御器２２を含んでもよい。一実施形態において、ガス供給部２０は、少なくとも１つの処理ガスを、それぞれに対応のガスソース２１からそれぞれに対応の流量制御器２２を介してシャワーヘッド１３に供給するように構成されている。各流量制御器２２は、例えばマスフローコントローラ又は圧力制御式の流量制御器を含んでもよい。さらに、ガス供給部２０は、少なくとも１つの処理ガスの流量を変調又はパルス化する少なくとも１つの流量変調デバイスを含んでもよい。

電源３０は、少なくとも１つのインピーダンス整合回路を介してプラズマ処理チャンバ１０に結合されるＲＦ電源３１を含む。ＲＦ電源３１は、ソースＲＦ信号及びバイアスＲＦ信号のような少なくとも１つのＲＦ信号（ＲＦ電力）を、基板支持部１１の導電性部材、シャワーヘッド１３の導電性部材、またはその両方に供給するように構成されている。これにより、プラズマ処理空間１０ｓに供給された少なくとも１つの処理ガスからプラズマが形成される。従って、ＲＦ電源３１は、プラズマ生成部１２の少なくとも一部として機能し得る。また、バイアスＲＦ信号を基板支持部１１の導電性部材に供給することにより、基板Ｗにバイアス電位が発生し、形成されたプラズマ中のイオン成分を基板Ｗに引き込むことができる。

一実施形態において、ＲＦ電源３１は、第１のＲＦ生成部３１ａ及び第２のＲＦ生成部３１ｂを含む。第１のＲＦ生成部３１ａは、少なくとも１つのインピーダンス整合回路を介して基板支持部１１の導電性部材、シャワーヘッド１３の導電性部材、またはその両方に結合され、プラズマ生成用のソースＲＦ信号（ソースＲＦ電力）を生成するように構成されている。一実施形態において、ソースＲＦ信号は、１３ＭＨｚ～１５０ＭＨｚの範囲内の周波数を有する。一実施形態において、第１のＲＦ生成部３１ａは、異なる周波数を有する複数のソースＲＦ信号を生成するように構成されてもよい。生成された１又は複数のソースＲＦ信号は、基板支持部１１の導電性部材、シャワーヘッド１３の導電性部材、またはその両方に供給される。第２のＲＦ生成部３１ｂは、少なくとも１つのインピーダンス整合回路を介して基板支持部１１の導電性部材に結合され、バイアスＲＦ信号（バイアスＲＦ電力）を生成するように構成される。一実施形態において、バイアスＲＦ信号は、ソースＲＦ信号よりも低い周波数を有する。一実施形態において、バイアスＲＦ信号は、４００ｋＨｚ～１３．５６ＭＨｚの範囲内の周波数を有する。一実施形態において、第２のＲＦ生成部３１ｂは、異なる周波数を有する複数のバイアスＲＦ信号を生成するように構成されてもよい。生成された１又は複数のバイアスＲＦ信号は、基板支持部１１の導電性部材に供給される。また、種々の実施形態において、ソースＲＦ信号及びバイアスＲＦ信号のうち少なくとも１つがパルス化されてもよい。

また、電源３０は、プラズマ処理チャンバ１０に結合されるＤＣ電源３２を含んでもよい。ＤＣ電源３２は、第１のＤＣ生成部３２ａ及び第２のＤＣ生成部３２ｂを含む。一実施形態において、第１のＤＣ生成部３２ａは、基板支持部１１の導電性部材に接続され、第１のＤＣ信号を生成するように構成される。生成された第１のＤＣ信号は、基板支持部１１の導電性部材に印加される。一実施形態において、第１のＤＣ信号が、静電チャック内の電極のような他の電極に印加されてもよい。一実施形態において、第２のＤＣ生成部３２ｂは、シャワーヘッド１３の導電性部材に接続され、第２のＤＣ信号を生成するように構成される。生成された第２のＤＣ信号は、シャワーヘッド１３の導電性部材に印加される。種々の実施形態において、第１及び第２のＤＣ信号がパルス化されてもよい。なお、第１のＤＣ生成部３２ａ及び第２のＤＣ生成部３２ｂは、ＲＦ電源３１に加えて設けられてもよく、第１のＤＣ生成部３２ａが第２のＲＦ生成部３１ｂに代えて設けられてもよい。

排気システム４０は、圧力調整弁１６ａおよび配管１６を介して、例えばプラズマ処理チャンバ１０の底部に設けられたガス排出口１０ｅに接続され得る。排気システム４０は、真空ポンプを含む。圧力調整弁１６ａによって、プラズマ処理空間１０ｓ内の圧力が調整される。真空ポンプは、ターボ分子ポンプ、ドライポンプ又はこれらの組み合わせを含んでもよい。

［配管５０の構造］
図３は、配管５０の構造の一例を示す拡大断面図である。ＰＴＦＥ等の誘電体により形成された配管５０の本体５１には、伝熱ガスが流通する流路５２が形成されている。本体５１は、配管５０を構成する部材の一例である。流路５２は、配管５０の本体５１内に屈曲状または湾曲状に形成されている。本実施形態において、配管５０は、略円筒状に形成されており、流路５２は、配管５０の中心軸Ａを中心として螺旋状に形成されている。配管５０は、例えばAdditive Manufacturing等により形成することが可能である。

また、本実施形態において、配管５０の本体５１には、空間５３が形成されている。空間５３は、プラズマ処理チャンバ１０の底部１０ｂから本体部１１１に向う方向（図３におけるＹ方向）において、配管５０の本体５１を挟んで流路５２に隣接する位置に形成されている。具体的には、図３におけるＹ方向において、空間５３の部分５３ａは、配管５０の本体５１の部分５１ａを挟んで、流路５２の部分５２ａに隣接する位置に形成されている。図３におけるＹ方向は、本体部１１１とプラズマ処理チャンバ１０の底部１０ｂとの電位差によって生じる電界に沿う方向である。

本実施形態において、空間５３内の空気は、配管１５を介して排気システム４０によって排気される。これにより、空間５３内の圧力は、大気圧よりも低い予め定められた圧力以下となるように制御される。空間５３内の空気の比誘電率は、配管５０の本体５１の比誘電率よりも小さい。

［伝熱ガスの流路にかかる電圧の大きさ］
ここで、誘電体により形成され、内部に伝熱ガスを流通させる螺旋状の流路が設けられ、空間５３が設けられていない配管を比較例として検討する。このような配管は、例えば図４のようにモデル化することができる。図４は、比較例における配管のモデルの一例を示す模式図である。

図４では、ＰＴＦＥにより形成された配管のモデルが例示されている。図４では、本体部１１１とプラズマ処理チャンバ１０の底部１０ｂとの間の電位差をＶ_(total)と定義し、本体部１１１とプラズマ処理チャンバ１０の底部１０ｂとの間の距離、即ち配管の厚さをｄ_(total)と定義する。また、プラズマ処理チャンバ１０の底部１０ｂから本体部１１１に向う方向（図４におけるＹ方向）では、本体５１に螺旋状に形成された流路５２は、略同様の構造の複数の層とみなすことができる。各層には、本体５１の層と、流路５２の層とが含まれる。各層において、本体５１に発生する電位差をＶ_(PTFE)、流路５２に発生する電位差をＶ_(He)と定義する。また、各層において、本体５１の厚さをｄ_(PTFE)、流路５２の厚さをｄ_(He)と定義する。

このような層が配管内にＮ層形成されていると仮定すると、Ｖ_(total)と、Ｖ_(PTFE)およびＶ_(He)との間には、例えば下記の式（１）に示すような関係が成り立つ。

ここで、伝熱ガスの一例として、ヘリウムガスを仮定する。それぞれの層において、本体５１の厚さｄ_(PTFE)を３ｍｍ、流路５２の厚さｄ_(He)を１ｍｍ、配管５０の全体の厚さｄ_(total)を４０ｍｍと仮定すると、層の数Ｎは、１０となる。ヘリウムガスの比誘電率ε_r(He)は、約１．０であり、ＰＴＦＥの比誘電率ε_r(PTFE)は、約２．１である。そのため、配管５０の全体において、本体５１の静電容量Ｃ_(PTFE)と流路５２の静電容量Ｃ_(He)との比は、例えば下記の式（２）のように表される。

電位差は静電容量に逆比例するので、本体５１に発生する電位差Ｖ_(PTFE)と流路５２に発生する電位差Ｖ_(He)との比は、例えば下記の式（３）のように表される。

従って、本体部１１１とプラズマ処理チャンバ１０の底部１０ｂとの間の電位差Ｖ_(total)を５０００Ｖと仮定すると、各層の流路５２に発生する電位差Ｖ_(He)は、例えば下記の式（４）のように算出される。

従って、空間５３が設けられていない比較例の配管では、各層において、流路５２内を流れるヘリウムガスに、約２０６Ｖの電位差が発生することになる。

一方、本実施形態における配管５０では、例えば図５に示されるようなモデルを考えることができる。図５は、本実施形態における配管５０のモデルの一例を示す模式図である。図５においても、ＰＴＦＥにより形成された配管５０のモデルが例示されている。図５においても、本体部１１１とプラズマ処理チャンバ１０の底部１０ｂとの間の電位差をＶ_(total)と定義し、本体部１１１とプラズマ処理チャンバ１０の底部１０ｂとの間の距離、即ち配管の厚さをｄ_(total)と定義する。また、プラズマ処理チャンバ１０の底部１０ｂから本体部１１１に向う方向（図５におけるＹ方向）では、本体５１に螺旋状に形成された流路５２は、略同様の構造の複数の層とみなすことができる。

また、本実施形態では、図５のＹ方向において、流路５２の間に空間５３が配置されている。従って、各層には、本体５１の層と、流路５２の層と、空間５３の層が含まれている。各層において、本体５１に発生する電位差をＶ_(PTFE)、流路５２に発生する電位差をＶ_(He)、空間５３に発生する電位差をＶ_(VAC)と定義する。また、各層において、本体５１の厚さをｄ_(PTFE)、流路５２の厚さをｄ_(He)、空間５３の厚さをｄ_(VAC)と定義する。

このような層が配管内にＮ層形成されていると仮定すると、Ｖ_(total)と、Ｖ_(PTFE)、Ｖ_(He)、およびＶ_(VAC)との間には、例えば下記の式（５）に示すような関係が成り立つ。

ここで、それぞれの層において、本体５１の厚さｄ_(PTFE)を２ｍｍ、流路５２の厚さｄ_(He)を１ｍｍ、空間５３の厚さｄ_(VAC)を１ｍｍ、配管５０の全体の厚さｄ_(total)を４０ｍｍと仮定すると、層の数Ｎは１０となる。空気の比誘電率は、約１．０であるため、大気圧よりも低い圧力に制御された空気を含む空間５３の比誘電率ε_r(VAC)は、約１．０である。そのため、配管５０の全体において、本体５１の静電容量Ｃ_(PTFE)と流路５２の静電容量Ｃ_(He)と空間５３の静電容量Ｃ_(VAC)との比は、例えば下記の式（６）のように表される。

電位差は静電容量に逆比例するので、本体５１に発生する電位差Ｖ_(PTFE)と流路５２に発生する電位差Ｖ_(He)と空間５３に発生する電位差Ｖ_(VAC)との比は、例えば下記の式（７）のように表される。

従って、本体部１１１とプラズマ処理チャンバ１０の底部１０ｂとの間の電位差Ｖ_(total)を５０００Ｖと仮定すると、各層の流路５２に発生する電位差Ｖ_(He)は、例えば下記の式（８）のように算出される。

従って、本実施形態における配管５０では、各層において、流路５２内を流れるヘリウムガスに、約１７２Ｖの電位差が発生することになる。前述の比較例に比べると、各層において、流路５２内を流れるヘリウムガスに発生する電位差が大幅に低減されている。これにより、本実施形態の配管５０では、比較例の配管に比べて、流路５２内における放電を大幅に抑制することができる。

［空間５３内の圧力］
図６は、パッシェンの法則と呼ばれる気圧および電極間距離と放電電圧との関係の一例を示す図である。本実施形態において、空間５３内は空気で満たされており、空間５３内は圧力調整弁１５ａおよび排気システム４０によって大気圧よりも低い予め定められた圧力に制御されている。空気の約８割は窒素ガスであるため、空間５３内の空気は、ほぼ窒素ガスとみなすことができる。

また、本体部１１１とプラズマ処理チャンバ１０の底部１０ｂとの間の電位差Ｖ_(total)は５０００Ｖ前後であるため、放電電圧が１０⁴Ｖ以上であれば、空間５３内での放電を抑えることができる。図６を参照すると、窒素ガスにおいて、気圧と電極間距離の積が０．５以下であれば、放電電圧が１０⁴Ｖ以上となる。本実施形態において、電極間距離は流路５２の厚さｄ_(He)に対応する。そのため、空間５３の厚さｄ_(VAC)を１ｍｍと仮定すると、空気の圧力が５Ｔｏｒｒ以下であれば、放電電圧が１０⁴Ｖ以上となり、空間５３内での放電を抑えることができる。

なお、本実施形態では、空間５３内のガスは空気であるが、開示の技術はこれに限られず、空間５３内のガスは空気以外のガスであってもよい。空気以外のガスとしては、例えば、ヘリウムガス、ネオン（Ｎｅ）ガス、およびアルゴン（Ａｒ）ガス等の希ガス、窒素（Ｎ２）ガス、または水素（Ｈ２）ガス等であってもよい。図６を参照すると、空間５３内のガスがヘリウムガスである場合、ヘリウムガスの圧力が６Ｔｏｒｒ以下であれば、放電電圧が１０⁴Ｖ以上となり、空間５３内での放電を抑えることができる。また、空間５３内のガスがネオンガスである場合、ネオンガスの圧力が４Ｔｏｒｒ以下であれば、放電電圧が１０⁴Ｖ以上となり、空間５３内での放電を抑えることができる。空間５３内のガスがアルゴンガスである場合、アルゴンガスの圧力が２Ｔｏｒｒ以下であれば、放電電圧が１０⁴Ｖ以上となり、空間５３内での放電を抑えることができる。空間５３内のガスが窒素ガスである場合、窒素ガスの圧力が５Ｔｏｒｒ以下であれば、放電電圧が１０⁴Ｖ以上となり、空間５３内での放電を抑えることができる。空間５３内のガスが水素ガスである場合、水素ガスの圧力が８Ｔｏｒｒ以下であれば、放電電圧が１０⁴Ｖ以上となり、空間５３内での放電を抑えることができる。

また、図６を参照すると、窒素ガスにおいて、気圧と電極間距離の積が２００Ｔｏｒｒ・ｃｍ以上であっても、放電電圧が１０⁴Ｖ以上となる。そのため、空間５３の厚さｄ_(VAC)を１ｍｍと仮定すると、空気の圧力が２０００Ｔｏｒｒ以上であれば、放電電圧が１０⁴Ｖ以上となる。従って、空間５３内の圧力が２０００Ｔｏｒｒ以上となるように、空間５３内に空気を供給するようにしても、空間５３内での放電を抑えることができる。

また、図６を参照すると、空間５３内のガスがヘリウムガスである場合、ヘリウムガスの圧力が１０⁴Ｔｏｒｒ以上であれば、放電電圧が１０⁴Ｖ以上となり、空間５３内での放電を抑えることができる。また、空間５３内のガスがネオンガスである場合、ネオンガスの圧力が７０００Ｔｏｒｒ以上であれば、放電電圧が１０⁴Ｖ以上となり、空間５３内での放電を抑えることができる。空間５３内のガスがアルゴンガスである場合、アルゴンガスの圧力が５０００Ｔｏｒｒ以上であれば、放電電圧が１０⁴Ｖ以上となり、空間５３内での放電を抑えることができる。空間５３内のガスが窒素ガスである場合、窒素ガスの圧力が２０００Ｔｏｒｒ以上であれば、放電電圧が１０⁴Ｖ以上となり、空間５３内での放電を抑えることができる。空間５３内のガスが水素ガスである場合、水素ガスの圧力が５０００Ｔｏｒｒ以上であれば、放電電圧が１０⁴Ｖ以上となり、空間５３内での放電を抑えることができる。

なお、流路５２内では、４０～１００Ｔｏｒｒの圧力で伝熱ガス（例えばヘリウムガス）が流通する。流路５２の厚さｄ_(He)を１ｍｍと仮定すると、ヘリウムガスの圧力が４０Ｔｏｒｒの場合、気圧と電極間距離との積が４０Ｔｏｒｒ×０．１ｃｍ＝４となる。図６を参照すると、ヘリウムガスにおいて気圧と電極間距離との積が４の場合の放電電圧は約１９０Ｖである。本実施形態における配管５０では、前述の式（８）により、流路５２内を流れるヘリウムガスに発生する電位差は約１７２Ｖであり、放電電圧である１９０Ｖよりも低い。そのため、流路５２内では放電が発生しにくい。また、流路５２内では、４０Ｔｏｒｒ以上の圧力でヘリウムガスが流通するため、流路５２内を流れるヘリウムガスの放電電圧はさらに高くなり、さらに放電しにくくなる。例えば、ヘリウムガスの圧力が１００Ｔｏｒｒの場合、気圧と電極間距離との積が１００Ｔｏｒｒ×０．１ｃｍ＝１０となり、図６を参照すると、放電電圧は約３００Ｖとなる。これにより、流路５２内を流れるヘリウムガスの放電はさらに抑制される。

［プラズマ処理方法］
図７は、本開示の一実施形態におけるプラズマ処理方法の一例を示すフローチャートである。図７に例示された各ステップは、制御部２がプラズマ処理装置１の各部を制御することにより実現される。

まず、図示しない搬送装置によって、基板Ｗがプラズマ処理チャンバ１０内に搬入され、本体部１１１の静電チャック上に載せられる（Ｓ１０）。ステップＳ１０は、工程ａ）の一例である。そして、静電チャックに発生した静電気力により、基板Ｗが静電チャック上に吸着保持される（Ｓ１１）。そして、プラズマ処理チャンバ１０内のガスが排気システム４０によって排気され、圧力調整弁１６ａによってプラズマ処理チャンバ１０内が予め定められた圧力に調整される。

次に、基板Ｗと静電チャックとの間に伝熱ガスが供給される（Ｓ１２）。ステップＳ１２は、工程ｂ）の一例である。伝熱ガスは、図示しないガス供給源から配管１４を介して配管５０に供給される。配管５０に供給された伝熱ガスは、配管５０内の流路５２を流れ、本体部１１１内の流路１１１ｃを介して基板Ｗと静電チャックとの間に供給される。そして、本体部１１１内の温調モジュールにより、基板Ｗの温度調整が開始される（Ｓ１３）。

次に、圧力調整弁１５ａが開かれ、配管５０の空間５３内の空気の排気が開始される（Ｓ１４）。ステップＳ１４は、工程ｃ）の一例である。そして、配管１５に設けられた圧力センサ１５ｂにより、配管５０の空間５３内の圧力Ｐが測定され、空間５３内の圧力Ｐが予め定められた圧力Ｐ０以下になったか否かが判定される（Ｓ１５）。本実施形態において、予め定められた圧力Ｐ０は、例えば５Ｔｏｒｒである。

空間５３内の圧力Ｐが予め定められた圧力Ｐ０以下になった場合（Ｓ１５：Ｙｅｓ）、基板Ｗに対するプラズマ処理が実行される（Ｓ１６）。ステップＳ１６は、工程ｄ）の一例である。ステップＳ１６では、ガス供給部２０からプラズマ処理チャンバ１０内に処理ガスが供給され、電源３０からプラズマ処理チャンバ１０内にＲＦ電力が供給される。これにより、プラズマ処理チャンバ１０内にプラズマが生成され、プラズマに含まれるイオンや活性種等により、基板Ｗにエッチング等の処理が施される。そして、基板Ｗがプラズマ処理チャンバ１０内から搬出され、本フローチャートに示されたプラズマ処理方法が終了する。

空間５３内の圧力Ｐが予め定められた圧力Ｐ０より高い場合（Ｓ１５：Ｎｏ）、ステップＳ１４が実行されてから予め定められた時間が経過したか否かが判定される（Ｓ１７）。予め定められた時間とは、例えば数秒である。ステップＳ１４が実行されてから予め定められた時間が経過していない場合（Ｓ１７：Ｎｏ）、再びステップＳ１６に示された処理が実行される。

一方、ステップＳ１４が実行されてから予め定められた時間が経過した場合（Ｓ１７：Ｙｅｓ）、プラズマ処理システム１００のユーザや管理者等にエラーを通知する（Ｓ１８）。そして、プラズマ処理を実行することなく、本フローチャートに示されたプラズマ処理方法が終了する。

以上、一実施形態について説明した。上記したように、本実施形態におけるプラズマ処理装置１であって、プラズマ処理チャンバ１０と、プラズマ生成部１２と、本体部１１１と、プラズマ処理チャンバ１０の底部１０ｂと、配管５０とを備える。プラズマ処理チャンバ１０は、基板Ｗを収容する。プラズマ生成部１２は、プラズマ処理チャンバ１０内に電磁波を供給することによりプラズマ処理チャンバ１０内にプラズマを生成させ、プラズマにより基板Ｗを処理する。本体部１１１は、プラズマ処理チャンバ１０内に配置されている。プラズマ処理チャンバ１０の底部１０ｂは、本体部１１１との間で予め定められた電位差を有する。配管５０は、誘電体で形成されており、本体部１１１とプラズマ処理チャンバ１０の底部１０ｂとの間に配置され、ガスをプラズマ処理チャンバ１０の底部１０ｂから本体部１１１へ流通させる。配管５０には、ガスが流通する流路５２が屈曲状または湾曲状に形成されている。プラズマ処理チャンバ１０の底部１０ｂから本体部１１１に向う方向において、配管５０を構成する部材を挟んで流路５２に隣接する位置には、配管５０を構成する部材よりも比誘電率が低い空間５３が配置されている。これにより、プラズマ処理チャンバ１０内にガスを供給する配管５０内の放電を抑制することができる。

また、上記した実施形態において、配管５０の空間５３内は、空気で満たされており、５Ｔｏｒｒ以下の圧力に制御される。これにより、配管５０内の放電を抑制することができる。

また、上記した実施形態において、プラズマ処理チャンバ１０内のガスを排気する排気システム４０を備え、排気システム４０は、配管５０の空間５３内の空気も排気する。これにより、プラズマ処理システム１００の小型化が可能となる。

また、上記した実施形態において、配管５０の空間５３内は、空気で満たされており、空間５３内の圧力は２０００Ｔｏｒｒ以上となるように制御されてもよい。このようにしても、配管５０内の放電を抑制することができる。

また、上記した実施形態において、配管５０の流路５２は、プラズマ処理チャンバ１０の底部１０ｂから本体部１１１に向う方向における配管５０の中心軸を中心として螺旋状に形成されている。これにより、配管５０を小型化することができる。

また、本実施形態におけるプラズマ処理方法は、工程ａ）、工程ｂ）、工程ｃ）、および工程ｄ）を含む。工程ａ）では、プラズマ処理チャンバ１０内に基板Ｗが搬入される。工程ｂ）では、配管５０を介して、ガスがプラズマ処理チャンバ１０の底部１０ｂから本体部１１１へ流される。配管５０は、誘電体で形成されており、内部にガスが流通する流路５２が屈曲状または湾曲状に形成されており、プラズマ処理チャンバ１０内に配置される本体部１１１と本体部１１１との間で予め定められた電位差を有するプラズマ処理チャンバ１０の底部１０ｂとの間に配置されている。工程ｃ）では、プラズマ処理チャンバ１０の底部１０ｂから本体部１１１に向う方向において、配管５０を構成する部材を挟んで流路５２に隣接する配管５０内の位置に配置されている空間５３内の空気が排気される。工程ｄ）では、空間５３内の圧力が５Ｔｏｒｒ以下になった後に、プラズマ処理チャンバ１０内に電磁波が供給されることによりプラズマ処理チャンバ１０内にプラズマが生成され、プラズマにより基板Ｗが処理される。これにより、プラズマ処理チャンバ１０内にガスを供給する配管５０内の放電を抑制することができる。

［その他］
なお、本願に開示された技術は、上記した実施形態に限定されるものではなく、その要旨の範囲内で数々の変形が可能である。

例えば、上記した実施形態では、空間５３内が空気で満たされ、空間５３内の圧力が大気圧よりも低い予め定められた圧力に制御される。しかし、空間５３内が、配管５０の本体５１よりも比誘電率が低い状態になっていれば、空間５３内に配置される物質は、空気やガスに限られず、固体や液体であってもよい。

また、上記した実施形態において、配管５０には、流路５２が螺旋状に形成されるが、流路５２の形状は、屈曲状または湾曲状であれば、螺旋状以外の形状に形成されてもよい。他の形態として、配管５０には、例えば図８に示されるような形状の流路５２ｂが形成されてもよい。図８の例では、プラズマ処理チャンバ１０の底部１０ｂから本体部１１１に向う方向（図８におけるＹ方向）において、配管５０内に流路５２ｂが屈曲状に形成されている。図８の例においても、空間５３ｂは、プラズマ処理チャンバ１０の底部１０ｂから本体部１１１に向う方向（図８におけるＹ方向）において、配管５０の本体５１を挟んで流路５２ｂに隣接する位置に形成されている。従って、図８のような構造の配管５０においても、プラズマ処理チャンバ１０内にガスを供給する配管５０内の放電を抑制することができる。

また、他の形態として、配管５０には、例えば図９に示されるような形状の流路５２ｃが形成されてもよい。図９の例では、プラズマ処理チャンバ１０の底部１０ｂから本体部１１１に向う方向（図９におけるＹ方向）において、配管５０内に流路５２ｃが屈曲状に形成されている。図９の例においても、空間５３ｃは、プラズマ処理チャンバ１０の底部１０ｂから本体部１１１に向う方向（図９におけるＹ方向）において、配管５０の本体５１を挟んで流路５２ｃに隣接する位置に形成されている。従って、図９のような構造の配管５０においても、プラズマ処理チャンバ１０内にガスを供給する配管５０内の放電を抑制することができる。

また、他の形態として、配管５０には、例えば図１０に示されるような形状の流路５２ｄが形成されてもよい。図１０の例では、プラズマ処理チャンバ１０の底部１０ｂから本体部１１１に向う方向（図１０におけるＹ方向）において、配管５０内に流路５２ｄが屈曲状に形成されている。図１０の例においても、空間５３ｄは、プラズマ処理チャンバ１０の底部１０ｂから本体部１１１に向う方向（図１０におけるＹ方向）において、配管５０の本体５１を挟んで流路５２ｄに隣接する位置に形成されている。従って、図１０のような構造の配管５０においても、プラズマ処理チャンバ１０内にガスを供給する配管５０内の放電を抑制することができる。なお、図８～図１０に例示されたそれぞれの流路は折れ曲がっているが、屈曲箇所の流路は滑らかに湾曲していてもよい。

また、上記した実施形態では、プラズマ処理装置１に用いられるプラズマ源の一例として、容量結合型プラズマを説明したが、プラズマ源はこれに限られない。容量結合型プラズマ以外のプラズマ源としては、例えば、誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）、マイクロ波励起表面波プラズマ（ＳＷＰ）、電子サイクロトン共鳴プラズマ（ＥＣＰ）、およびヘリコン波励起プラズマ（ＨＷＰ）等が挙げられる。マイクロ波励起表面波プラズマ（ＳＷＰ）に用いられるマイクロ波は、電磁波の一例である。

また、上記した実施形態では、本体部１１１を第１の導電部材の一例として説明し、プラズマ処理チャンバ１０の底部１０ｂを第２の導電部材の一例として説明したが、開示の技術はこれに限られない。プラズマ処理装置１に設けられる導電部材であって、電位差を有する２つの導電部材であれば、本体部１１１やプラズマ処理チャンバ１０の底部１０ｂ以外の部材に対しても開示の技術を適用することができる。例えば、シャワーヘッド１３を第１の導電部材とし、シャワーヘッド１３を覆う筐体を第２の導電部材として、開示の技術を適用することも可能である。

なお、今回開示された実施形態は全ての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。実に、上記した実施形態は多様な形態で具現され得る。また、上記の実施形態は、添付の特許請求の範囲およびその趣旨を逸脱することなく、様々な形態で省略、置換、変更されてもよい。

Ｗ 基板
１００ プラズマ処理システム
１ プラズマ処理装置
２ 制御部
２ａ コンピュータ
２ａ１ 処理部
２ａ２ 記憶部
２ａ３ 通信インターフェース
１０ プラズマ処理チャンバ
１０ａ 側壁
１０ｂ 底部
１０ｅ ガス排出口
１０ｓ プラズマ処理空間
１１ 基板支持部
１１１ 本体部
１１１ａ 基板支持面
１１１ｂ リング支持面
１１１ｃ 流路
１１２ リングアセンブリ
１２ プラズマ生成部
１３ シャワーヘッド
１３ａ ガス供給口
１３ｂ ガス拡散室
１３ｃ ガス導入口
１４ 配管
１５ 配管
１５ａ 圧力調整弁
１５ｂ 圧力センサ
１６ 配管
１６ａ 圧力調整弁
２０ ガス供給部
２１ ガスソース
２２ 流量制御器
３０ 電源
３１ ＲＦ電源
３１ａ 第１のＲＦ生成部
３１ｂ 第２のＲＦ生成部
３２ ＤＣ電源
３２ａ 第１のＤＣ生成部
３２ｂ 第２のＤＣ生成部
４０ 排気システム
５０ 配管
５１ 本体
５１ａ 部分
５２ 流路
５２ａ 部分
５３ 空間
５３ａ 部分

Claims (6)

1. 基板を収容する処理容器と、
   前記処理容器内に電磁波を供給することにより前記処理容器内にプラズマを生成させ、前記プラズマにより前記基板を処理するプラズマ生成部と、
   前記処理容器内に配置される第１の導電部材と、
   前記第１の導電部材との間で予め定められた電位差を有する第２の導電部材と、
   誘電体で形成されており、前記第１の導電部材と前記第２の導電部材との間に配置され、ガスを前記第２の導電部材から前記第１の導電部材へ流通させる配管と
   を備え、
   前記配管には、ガスが流通する流路が屈曲状または湾曲状に形成されており、
   前記第２の導電部材から前記第１の導電部材に向う方向において、前記配管を構成する部材を挟んで前記流路に隣接する前記配管内の位置には、前記部材よりも比誘電率が低い物質が配置される空間が形成されている配置されているプラズマ処理装置。
2. 前記空間内は、空気で満たされており、５Ｔｏｒｒ以下の圧力に制御される請求項１に記載のプラズマ処理装置。
3. 前記処理容器内のガスを排気する排気システムを備え、
   前記排気システムは、前記空間内の空気も排気する請求項２に記載のプラズマ処理装置。
4. 前記空間内は、空気で満たされており、
   前記空間内の圧力は、２０００Ｔｏｒｒ以上となるように制御される請求項１に記載のプラズマ処理装置。
5. 前記流路は、前記第２の導電部材から前記第１の導電部材に向う方向における前記配管の中心軸を中心として螺旋状に形成されている請求項１から４のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。
6. ａ）処理容器内に基板を搬入する工程と、
   ｂ）誘電体で形成されている配管であって、内部にガスが流通する流路が屈曲状または湾曲状に形成されており、前記処理容器内に配置される第１の導電部材と前記第１の導電部材との間で予め定められた電位差を有する第２の導電部材との間に配置されている配管を介して、ガスを前記第２の導電部材から前記第１の導電部材へ流す工程と、
   ｃ）前記第２の導電部材から前記第１の導電部材に向う方向において、前記配管を構成する部材を挟んで前記流路に隣接する前記配管内の位置に配置されている空間内の空気を排気する工程と、
   ｄ）前記空間内の圧力が５Ｔｏｒｒ以下になった後に、前記処理容器内に電磁波を供給することにより前記処理容器内にプラズマを生成させ、前記プラズマにより前記基板を処理する工程と
   を含むプラズマ処理方法。

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