JP7632975B2 - プラズマ処理装置及びプラズマ処理方法 - Google Patents

Description

本開示は、プラズマ処理装置及びプラズマ処理方法に関する。

例えば、特許文献１のプラズマ処理装置は、チャンバの天壁に配置された複数のマイクロ波放射機構と、複数のマイクロ波放射機構の下方に、接地電位に設定された導電性材料からなるシャワー板とを有する。シャワー板は、マイクロ波放射機構からマイクロ波が放射された際に、マイクロ波放射面の直下に形成される表面波を、高電界領域となるマイクロ波放射面とシャワー板とで囲まれた空間に閉じ込め、空間に生成されるプラズマの電力吸収効率を高く維持する。

低温で高品質な膜を得るためにプラズマを使用して成膜を行うことは重要である。また、近年成膜において薄膜化が進んできており、プラズマＡＬＤ（Atomic Layer Deposition）法による成膜が取り入れられている。プラズマを用いることで、低温で高品質の薄膜が得られる一方、膜への電気的なダメージや物理的なダメージが課題となる場合がある。これを解決するためにリモートソースを用いたＡＬＤ法による成膜が提案されている。このようなリモートソースは成膜時にＡＬＤ法による操作が容易な高周波（マイクロ波帯（３００ＭＨｚ～３ＴＨｚ）よりも低い周波数の高周波）を用いることが多いが、マイクロ波帯のように周波数が高いほどラジカル生成効率が高いことが知られている。

特開２０１７－３３７４９号公報

本開示は、プラズマ着火を容易にし、ラジカルの生成効率を向上させることができる技術を提供する。

本開示の一の態様によれば、チャンバと、前記チャンバ内に設けられた載置台と、前記チャンバの壁面に設けられたマイクロ波透過窓と、前記マイクロ波透過窓を介して前記チャンバ内にマイクロ波を供給するマイクロ波供給部と、前記チャンバ内を、前記マイクロ波透過窓が配置された領域であるプラズマ生成空間と、前記載置台が配置された領域である処理空間と、に区画するシャワー板と、前記シャワー板から前記プラズマ生成空間に突出し、少なくとも一部に導体を含む突出部と、を有するプラズマ処理装置が提供される。

一の側面によれば、プラズマ着火を容易にし、ラジカルの生成効率を向上させることができる。

実施形態に係るプラズマ処理装置を示す断面図。 図１に示すマイクロ波プラズマ源の構成を示すブロック図。 図１に示すＡ－Ａ面からマイクロ波透過窓とシャワー板を平面視した図。 実施形態に係る突出部の一例を示す断面図。 プラズマ電位とフローティング電位との関係の一例を示すグラフ。 突出部の配置とプラズマ電子密度との関係を説明するための図。 実施形態に係る突出部の変形例１を示す断面図。 実施形態に係る突出部の変形例２を示す断面図。 実施形態に係るプラズマ処理方法を示すフローチャート。

以下、図面を参照して本開示を実施するための形態について説明する。各図面において、同一構成部分には同一符号を付し、重複した説明を省略する場合がある。

［プラズマ処理装置］
まず、実施形態に係るプラズマ処理装置１００について、図１～図３を参照しながら説明する。図１は実施形態に係るプラズマ処理装置を示す断面図である。図２は図１のプラズマ処理装置に用いられるマイクロ波プラズマ源の構成を示すブロック図である。図３は図１に示すＡ－Ａ面からマイクロ波透過窓とシャワー板を平面視した図である。

プラズマ処理装置１００は、マイクロ波により表面波プラズマを形成してウエハに対して所定のプラズマ処理を行う。プラズマ処理としては、成膜処理またはエッチング処理が例示される。

プラズマ処理装置１００は、気密に構成されたアルミニウムまたはステンレス鋼等の金属材料からなる略円筒状の接地されたチャンバ１と、チャンバ１内にマイクロ波を導入して表面波プラズマを形成するためのマイクロ波プラズマ源２とを有する。チャンバ１の上部には開口部が形成されており、マイクロ波プラズマ源２は開口部からシャワー板１５１を介してチャンバ１の内部に向かって設けられている。

プラズマ処理装置１００は、マイクロプロセッサを備えた制御部３を有する。制御部（制御装置）３は、プロセッサ、メモリを有するコンピュータであり得る。制御部３は、演算部、記憶部、入力装置、表示装置、信号の入出力インターフェイス等を備える。制御部３は、マイクロ波プラズマ源２を含むプラズマ処理装置１００の各部を制御する。制御部３では、入力装置を用いて、オペレータ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ことができる。また、制御部３では、表示装置により、プラズマ処理装置１００の稼働状況を可視化して表示することができる。さらに、メモリには、制御プログラム及びレシピデータが格納されている。制御プログラムは、プラズマ処理装置１００で各種処理を実行するために、制御部３のプロセッサによって実行される。プロセッサが、制御プログラムを実行し、プラズマ処理装置１００の各部を制御することにより、レシピデータに従って種々のプロセス、例えば本開示のプラズマ処理方法がプラズマ処理装置１００で実行される。

チャンバ１内には載置台１１が設けられている。載置台１１は、基板の一例である半導体ウエハ（以下、ウエハＷという）を水平に支持する。載置台１１は、チャンバ１の底部中央に絶縁部材１２ａを介して立設された筒状の支持部材１２により支持されている。載置台１１および支持部材１２を構成する材料としては、表面をアルマイト処理（陽極酸化処理）したアルミニウム等の金属や内部に高周波用の電極を有した絶縁部材（セラミックス等）が例示される。

図示はしていないが、載置台１１には、ウエハＷを静電吸着するための静電チャック、温度制御機構、ウエハＷの裏面に熱伝達用のガスを供給するガス流路、およびウエハＷを搬送するために昇降する昇降ピン等が設けられている。さらに、載置台１１には、整合器１３を介して高周波バイアス電源１４が電気的に接続されている。高周波バイアス電源１４から載置台１１に高周波電力が供給されることにより、ウエハＷ側にプラズマ中のイオンが引き込まれる。なお、高周波バイアス電源１４はプラズマ処理の特性によっては設けなくてもよい。

チャンバ１の底部には排気管１５が接続され、排気管１５には真空ポンプを含む排気装置１６が接続されている。排気装置１６を作動させることによりチャンバ１内が排気され、これにより、チャンバ１内を所定の真空度まで高速に減圧できる。チャンバ１の側壁には、ウエハＷの搬入出を行うための搬入出口１７と、搬入出口１７を開閉するゲートバルブ１８とが設けられている。

マイクロ波プラズマ源２は、マイクロ波出力部３０と、マイクロ波供給部４０と、マイクロ波放射板５０とを有する。マイクロ波出力部３０は、複数経路に分配してマイクロ波を出力する。マイクロ波供給部４０は、マイクロ波出力部３０から出力されたマイクロ波を伝送し、マイクロ波をチャンバ１内に放射する。

マイクロ波放射板５０は、チャンバ１の天壁を構成する。マイクロ波放射板５０は、チャンバ１の天壁面に設けられたマイクロ波透過窓４４ａ～４４ｇ（図３参照）を有し、マイクロ波透過窓４４ａ～４４ｇの下面をマイクロ波放射面とする。マイクロ波透過窓４４ａ～４４ｇは、総称してマイクロ波透過窓４４ともいう。図１には、７つのマイクロ波透過窓４４のうちの３つのマイクロ波透過窓４４ａ、４４ｂ、４４ｅが示されている。マイクロ波供給部４０は、マイクロ波透過窓４４を介してチャンバ１内にマイクロ波を供給する。

シャワー板１５１は、マイクロ波透過窓４４の直下位置に、マイクロ波透過窓４４と対向するように設けられている。シャワー板１５１は導電性材料からなり、複数の貫通孔１５１ａを有しており、チャンバ１の側壁に支持されるとともに接地されている。シャワー板１５１は、チャンバ１内を、マイクロ波透過窓４４側の領域であるプラズマ生成空間Ｕ１と、載置台１１側の領域である処理空間Ｕ２とに区画する。

マイクロ波放射板５０には、シャワー構造の第１ガス導入部２１が設けられている。第１ガス導入部２１には、ガス供給管１１１を介して第１ガス供給源２２が接続されている。第１ガス供給源２２から第１ガス導入部２１を介してプラズマ生成空間Ｕ１内に、プラズマ生成用のガス、例えばＡｒガスや、高エネルギーで分解させたいガス、例えばＯ_２ガスやＮ_２ガス等の第１ガスが供給される。

チャンバ１の側壁には、シャワー板１５１の下方でかつ載置台１１の上方の位置に円環状をなす第２ガス導入部２３が設けられている。第２ガス導入部２３には、第２ガス供給源２５から、成膜処理やエッチング処理等のプラズマ処理の際に、第１ガスと比較して分解させずに供給したい処理ガス、例えばシラン（ＳｉＨ_４）ガスやＣ_５Ｆ_８ガス等の第２ガスが供給される。第１ガス供給源２２および第２ガス供給源２５から供給されるガスとしては、プラズマ処理の内容に応じた種々のガスを用いることができる。

次に、マイクロ波プラズマ源２の詳細な構造について説明する。マイクロ波プラズマ源２は、上述したように、マイクロ波出力部３０と、マイクロ波供給部４０と、マイクロ波放射板５０とを有する。図２に示すように、マイクロ波出力部３０は、マイクロ波電源３１と、マイクロ波発振器３２と、発振されたマイクロ波を増幅するアンプ３３と、増幅されたマイクロ波を複数に分配する分配器３４とを有する。

マイクロ波発振器３２は、所定周波数のマイクロ波を例えばＰＬＬ発振させる。分配器３４では、マイクロ波の損失ができるだけ起こらないように、入力側と出力側のインピーダンス整合を取りながらアンプ３３で増幅されたマイクロ波を分配する。なお、マイクロ波の周波数としては、７００ＭＨｚから３ＧＨｚの範囲の種々の周波数を用いることができる。

図１及び図２に示すように、マイクロ波供給部４０は、分配器３４にて分配されたマイクロ波を主に増幅する複数のアンプ部４２と、アンプ部４２に対応して設けられた複数のマイクロ波放射機構４３とを有する。マイクロ波供給部４０は、アンプ部４２とマイクロ波放射機構４３とを７個ずつ有している。７個のマイクロ波放射機構４３は、外周部に円周状に６個およびそれらの中心部に１個、円形をなすマイクロ波放射板５０に設けられている。７個のマイクロ波放射機構４３を伝搬したマイクロ波は、７つのマイクロ波透過窓４４からチャンバ１内に向けて放射する。

図３は図１に示すＡ－Ａ面からマイクロ波透過窓とシャワー板を平面視した図であり、本体部１２０の図示を省略している。図３に示すように、マイクロ波透過窓４４は、チャンバ１の天壁面の中心部と、この中心部を囲む外周部とにそれぞれ設けられ、１つの中心部のマイクロ波透過窓４４ａと、６つの外周部のマイクロ波透過窓４４ｂ～４４ｇとからなる。

マイクロ波供給部４０のアンプ部４２は、図２に示すように、分配器３４にて分配されたマイクロ波を増幅して各マイクロ波放射機構４３に導く。アンプ部４２は、位相器４６と、可変ゲインアンプ４７と、メインアンプ４８と、アイソレータ４９とを有している。

位相器４６は、マイクロ波の位相を変化させる機能を有し、この位相制御により放射特性を変調させる。例えば、マイクロ波放射機構４３毎に位相を調整することにより指向性を制御してプラズマ分布を変化させる。また、隣り合うマイクロ波放射機構４３において９０°ずつ位相をずらすようにして円偏波を得ることができる。また、位相器４６は、アンプ内の部品間の遅延特性を調整し、マイクロ波放射機構４３内での空間合成を目的として使用することができる。ただし、このような放射特性の変調やアンプ内の部品間の遅延特性の調整が不要な場合には位相器４６は設けなくてもよい。

可変ゲインアンプ４７は、メインアンプ４８へ入力するマイクロ波の電力レベルを調整し、プラズマ強度の調整をするためのアンプである。可変ゲインアンプ４７をマイクロ波放射機構４３毎に変化させることによって、発生するプラズマに分布を生じさせることができる。

メインアンプ４８は、ソリッドステートアンプを構成し、例えば、入力整合回路と、半導体増幅素子と、出力整合回路と、高Ｑ共振回路とを有する。

アイソレータ４９は、図１及び図３に示すスロットアンテナＳで反射してメインアンプ４８に向かうマイクロ波の反射波を分離するものであり、サーキュレータとダミーロード（同軸終端器）とを有している。サーキュレータは、反射波をダミーロードへ導き、ダミーロードはサーキュレータによって導かれた反射波を熱に変換する。

図１に示すように、マイクロ波放射機構４３はチューナ６０を有している。チューナ６０は、アンプ部４２から給電されたマイクロ波を伝送するとともにインピーダンスを整合する機能を有している。チューナ６０はマイクロ波放射板５０の上面に取り付けられている。

マイクロ波放射板５０は、金属製の本体部１２０を有する。本体部１２０を構成する金属としては、アルミニウムや銅のような熱伝導率の高い金属が好ましい。本体部１２０の開口には、マイクロ波放射機構４３の一部を構成する遅波材１２１とマイクロ波透過窓４４が嵌め込まれている。遅波材１２１およびマイクロ波透過窓４４は誘電体からなり、円板状をなしており、各チューナ６０に対応する位置に設けられている。本体部１２０内の遅波材１２１とマイクロ波透過窓４４との間の部分にはスロットＳ（図３参照）が形成されており、平面状のスロットアンテナを構成する。

遅波材１２１は、真空よりも大きい誘電率を有しており、例えば、石英、セラミックス、ポリテトラフルオロエチレン等のフッ素系樹脂やポリイミド系樹脂により構成されている。真空中ではマイクロ波の波長が長くなることから、遅波材１２１はマイクロ波の波長を短くしてアンテナを小さくする機能を有する。

マイクロ波透過窓４４は、マイクロ波を透過する材料である誘電体材料で構成されており、周方向に均一な表面波プラズマを形成する機能を有している。マイクロ波透過窓４４は、遅波材１２１と同様、例えば、石英、セラミックス、ポリテトラフルオロエチレン等のフッ素系樹脂やポリイミド系樹脂により構成することができる。マイクロ波透過窓４４の放射面（下面）は、本体部１２０の下面から内側に窪んだ位置においてチャンバ１のプラズマ生成空間Ｕ１に露出する。

スロットＳは、遅波材１２１に接する上面位置からマイクロ波透過窓４４に接する下面位置まで貫通して設けられており、所望のマイクロ波放射特性になるような形状、例えば円弧状や円周状をなしている。本体部１２０とマイクロ波透過窓４４との間のスロットＳの周囲部分は、シールリング（図示せず）によりシールされており、マイクロ波透過窓４４がスロットＳを覆って密閉し、真空シールとして機能する。

スロットＳ内は真空であってもよいが、誘電体が充填されていることが好ましい。スロットＳに誘電体を充填することにより、マイクロ波の実効波長が短くなり、スロットの厚さを薄くすることができる。スロットＳに充填する誘電体としては、例えば、石英、セラミックス、ポリテトラフルオロエチレン等のフッ素系樹脂やポリイミド系樹脂を用いることができる。

チューナ６０をＴＥＭ波として伝送されたマイクロ波は、マイクロ波放射板５０の内部に導入され、遅波材１２１を透過した後、スロットアンテナのスロットＳに伝送されてＴＥ波にモード変換される。さらにマイクロ波は、マイクロ波透過窓４４を透過してチャンバ１内に放射され、マイクロ波透過窓４４の表面に表面波が形成される。この表面波により第１ガス導入部２１からチャンバ１内に導入された第１ガスがプラズマ化され、チャンバ１の空間に表面波プラズマが生成される。したがって、マイクロ波透過窓４４の下面がマイクロ波放射面となる。

マイクロ波放射面からマイクロ波が放射された際のチャンバ１内の電界強度は、マイクロ波放射面であるマイクロ波透過窓４４の下面位置で最も大きく、マイクロ波放射面から離れるほど急激に小さくなる。

マイクロ波放射板５０の直下に設けられたシャワー板１５１は、このような高電界形成領域に配置されている。マイクロ波放射板５０は、マイクロ波放射面を含む下面の周囲に下方に延びるチャンバ１の側壁の一部を構成する外周壁を有しており、シャワー板１５１はマイクロ波放射板５０の外周壁とチャンバ１の側壁部との間に取り付けられている。そして、マイクロ波放射板５０とシャワー板１５１とでプラズマ生成空間Ｕ１が形成される。マイクロ波放射機構４３からマイクロ波が放射された際にプラズマ生成空間Ｕ１が高電界領域となり、プラズマ生成空間Ｕ１にプラズマが形成される。

シャワー板１５１は、接地電位に設定されている。シャワー板１５１は、マイクロ波透過窓４４のマイクロ波放射面からマイクロ波が放射された際にマイクロ波放射面の直下に形成される表面波を高電界領域となるプラズマ生成空間Ｕ１に閉じ込めてプラズマの電力吸収効率を高く維持する機能を有している。

本開示では、中心部のマイクロ波透過窓４４ａに対応して突出部２４が設けられている。突出部２４は、シャワー板１５１の上面から中心部のマイクロ波透過窓４４ａの略中央に向かってプラズマ生成空間Ｕ１に突出し、少なくとも一部に導体を含む。突出部２４はプラズマ着火源として機能する。突出部２４の構成及び機能については後述する。

これにより、プラズマ生成空間Ｕ１で安定した放電が生じやすくなり、異常放電を生じ難くすることができるとともに、プラズマの着火性を良好にすることができる。シャワー板１５１を構成する導電性材料としては、アルミニウムや銅等の電気伝導性の良好な金属を好適に用いることができる。また、シャワー板１５１の厚さは１０～３０ｍｍ程度が好ましく、シャワー板１５１の貫通孔１５１ａの孔径は３～５ｍｍ程度が好ましい。

シャワー板１５１のイオン遮蔽機能を有効に発揮するためには、マイクロ波放射面からシャワー板１５１の上面までの距離が１３ｍｍ～２８ｍｍが好ましく、１８ｍｍ～２８ｍｍがより好ましい。

プラズマ生成空間Ｕ１は、マイクロ波放射板５０とシャワー板１５１とで囲まれているが、プラズマ生成空間Ｕ１の側面および底面の金属部分によりプラズマ中のラジカルが消失する可能性がある。ラジカルの消失を回避するためには、プラズマ生成空間Ｕ１のチャンバ側面に対応するマイクロ波放射板５０の外周壁内側を絶縁部材で被覆すること、および、プラズマ生成空間Ｕ１の下面を構成するシャワー板１５１の上面を絶縁部材で被覆することが好ましい。

［突出部（プラズマ着火源）］
かかる構成のプラズマ処理装置１００において、７個のマイクロ波放射機構４３のマイクロ波透過窓４４を有するマイクロ波供給部４０を搭載し、マイクロ波透過窓４４と載置台１１との間にシャワー板１５１を配置する。そして、中心部のマイクロ波透過窓４４ａの対向位置に突出部２４を設けることで突出部２４をプラズマ着火源として機能させ、プラズマ着火の性能を向上させることができる。

突出部２４の構成及び機能について図１及び図４を参照して説明する。マイクロ波を使用したプラズマ着火では、式（１）に示す放電電界Ｅ_ｂｄにより着火性能が決定される。

これに対して、平行平板型のプラズマ処理装置では、対向する下部電極及び上部電極間における高周波電力による放電によって、パッシェンの法則に従い、式（２）に示す放電電圧Ｖ_ｂｄにより着火性能が決定される。

なお、式（１）のＤ及びＫは、ガス種によって定まる係数であり、ｐはチャンバ内の圧力であり、ｆは電磁波の周波数である。ｍは、ガス種によって定まる定数（概ね０．５）である。また、式（２）のＡ及びＢは、ガス種によって定まる係数であり、ｐはチャンバ内の圧力であり、ｄは、下部電極及び上部電極の電極間距離であり、γ_ｓｅは、２次電子放出係数である。２次電子放出係数は、下部電極及び上部電極の材料と表面状態によって定まる係数である。

つまり、マイクロ波プラズマ源２では、プラズマ着火にパッシェンの法則は成立しない。よって、マイクロ波プラズマ源２では、式（２）に示す放電電圧Ｖ_ｂｄにより着火性能は決定されない。マイクロ波プラズマ源２では、式（１）に示す放電電界Ｅ_ｂｄを強くすれば着火し易くなる。

そこで、突出部２４は、マイクロ波および１５０ＭＨｚ以上のＶＨＦ波に特有の着火し易い形状及び配置を有し、プラズマ生成空間Ｕ１においてプラズマの着火を容易にする。具体的には、突出部２４は、プラズマ生成空間Ｕ１内にてシャワー板１５１から突出し、マイクロ波透過窓４４ａから離間して設けられている。突出部２４は、概ねマイクロ波透過窓４４ａの中心に向かって突出する。

マイクロ波がマイクロ波透過窓４４のマイクロ波放射面からプラズマ生成空間Ｕ１内に放射されると、放射されたマイクロ波が対向面から突出する突出部２４の導体で反射して、マイクロ波（反射波）がマイクロ波透過窓４４ａ側に戻る。そうすると、マイクロ波透過窓４４から出力されるマイクロ波の入射波と突出部２４で反射した反射波との間で定在波が生じる。マイクロ波が放射された際のプラズマ生成空間Ｕ１内の電界強度は、マイクロ波放射面であるマイクロ波透過窓４４の下面位置で最も大きい。かつ、プラズマ生成空間Ｕ１のギャップが狭いため、プラズマ生成空間Ｕ１内の突出部２４とマイクロ波透過窓４４ａとの間で高電界が生じ、プラズマの着火が容易になる。一方、プラズマ着火後は、プラズマ生成空間Ｕ１内の突出部２４とマイクロ波透過窓４４ａとの間の電界は高くならない。

このようにプラズマ着火源として機能する突出部２４は、導体又は導体を埋め込んだ誘電体である。突出部２４の一例としては、導電性の棒状部材を有し、例えば先端がキノコの先端のような形状（先端の断面が略台形）であってもよい。突出部２４の全体又は先端部を誘電体で覆ってもよい。例えば、突出部２４のマイクロ波透過窓４４の近接部位は誘電体で形成され、誘電体を介して導体がマイクロ波透過窓４４に近接してもよい。

図４は、実施形態に係る突出部２４の一例を示す断面図である。図４（ａ）では、突出部２４は導体の棒状部材２４ｂ（先端部２４ａを含む）を有し、その表面はセラミックス等の誘電体２４ｃでコーティングされている。内部の棒状部材２４ｂはシャワー板１５１と同電位であり、グランド電位である。誘電体２４ｃはなくてもよい。

図４（ｂ）に示すように、突出部２４は導体の棒状部材２４ｂの先端部２４ａのみを誘電体２４ｃでコーティングしてもよい。図４（ｂ）では、シャワー板１５１と棒状部材２４ｂとの間に絶縁部材２４ｄを挟むことで棒状部材２４ｂをフローティング電位とする。

図４（ｃ）は、棒状部材２４ｂ（先端部２４ａを含む）自体をセラミックス等の誘電体で作り、その内部にパッシブ着火源として機能する導体の電極２４ｅを配置する。

突出部２４はパッシブ着火源であり、それ自体には電圧を印加しない。突出部２４はマイクロ波を反射するための電極（導体）を有する必要がある。よって、突出部２４は図４（ａ）～図４（ｃ）の形態にとどまらず、パッシブ着火源として機能するための電極（導体）をマイクロ波透過窓４４の近傍に設けた形態であればよい。なお、突出部２４導体部分は、グランド電位であってもフローティング電位であってもよいが、グランド電位よりもフローティング電位の方が望ましい。突出部２４の導体部分がグランド電位でもパッシブ着火源として機能する。ただし、コンタミネーション、パーティクル、ダメージを考慮すると突出部２４の先端部２４ａ（電極、導体部分）がフローティング電位であることが好ましい。その理由について図５を参照しながら説明する。

図５は、プラズマ電位とフローティング電位との関係の一例を示すグラフである。図５のグラフの横軸Ｚは、マイクロ波透過窓４４の表面から突出部２４の電極（導体）先端までの距離（Ｚ）を示し、縦軸は、プラズマ電位及びフローティング電位を示す。線Ｐは、距離（Ｚ）に応じたプラズマ電位であり、線ｆは、距離（Ｚ）に応じたフローティング電位である。線ｆは、突出部２４がフローティング電位を有するように構成された場合を示す。本実験では、プラズマ生成空間Ｕ１内の圧力を０．５Ｔｏｒｒ（６７Ｐａ）に制御し、Ａｒガスをプラズマ生成空間Ｕ１内に供給し、Ａｒガスのプラズマを生成した。

これによれば、突出部２４の棒状部材がグランド電位であると、プラズマ電位自体が棒状部材へイオンが入射するときの力を示す入射電位になる。この結果、Ｚが１０ｍｍ程度のとき１７ｅＶ程度の電圧が棒状部材へかかる。これに対して、棒状部材がフローティング電位であると、Ｚが１０ｍｍ程度のとき１０ｅＶ程度の電圧が棒状部材へかかり、線Ｐのプラズマ電位と線ｆのフローティング電位との電位差分だけ棒状部材へかかる電圧を軽減できる。１０ｅＶ程度の電圧であれば棒状部材がセラミックスでコーティングされている場合、突出部２４の表面にダメージはほとんど生じない。

以上から、突出部２４の先端に位置する導体からマイクロ波透過窓４４の放射面（表面）までの最短距離は、３ｍｍ～１０ｍｍ程度離間していればよい。ただし、この最短距離が５ｍｍ～１０ｍｍ程度離間すればコンタミネーション、パーティクル、ダメージをより抑制でき、より好ましい。よって、この最短距離が５ｍｍ～１０ｍｍ程度であればさらに好ましい。

突出部２４は、プラズマをオンする時間を短縮できる。この理由について説明する。通常の整合器では、まず、プラズマ着火位置に整合器内の整合位置を合わせる。プラズマ着火後、整合位置を次の整合位置（プラズマ着火後の整合位置）に機械的に移動させる。この整合位置の機械的な移動に時間を要する。

これに対して、マイクロ波プラズマ源２は、プラズマ着火後の整合位置に予め設定されて構成されている。通常はプラズマ着火後の整合位置ではプラズマは着火しないが、マイクロ波プラズマ源２では突出部２４を設けることにより、プラズマ着火後の整合位置でも容易にプラズマ着火するように構成されている。よって、プラズマが着火した後に整合位置の移動が不要になる。

このため、突出部２４は、整合位置の移動を不要とし、プラズマをオンする時間を短縮できる。これにより、ガスを入れ替えて素早くプラズマ着火できるため、ＡＬＤ（atomic layer deposition）プロセスにより適した構成であり、生産性を高めることができる。ただし、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法による成膜にも適用できる。

例えば、図１では、突出部２４は中心部のマイクロ波透過窓４４ａに対向した位置に１つ設けられている。ＣＶＤ法による成膜ではＡＬＤようにプラズマのオン及びオフを数秒程度の短時間で繰り返すプロセスは行わない。よって、中心部のマイクロ波透過窓４４ａにマイクロ波パワーを供給し、中心部のマイクロ波透過窓４４ａと突出部２４との間でプラズマ着火すれば、中心部で着火したプラズマ中の電子によって、外周部のマイクロ波透過窓４４ｂ～４４ｇの近傍も確実にプラズマ着火する。このとき、中心部のマイクロ波透過窓４４ａ側の着火から外周部のマイクロ波透過窓４４ｂ～４４ｇ側の着火までの遅延時間はミリ秒のオーダーである。例えば、中心部のマイクロ波透過窓４４ａにマイクロ波パワーを供給した後、１ｍｓ～１ｓ遅れて外周部のマイクロ波透過窓４４ｂ～４４ｇにマイクロ波パワーを供給する。外周部のマイクロ波透過窓４４ｂ～４４ｇ側のプラズマ着火が中心部のマイクロ波透過窓４４ａ側のプラズマ着火から１ｍｓ～１ｓ遅れてもウエハＷへのプロセスに影響はない。このため、突出部２４は、中心部のマイクロ波透過窓４４ａに対向する位置に一つだけ配置されればよい。また、突出部２４は、中心部のマイクロ波透過窓４４ａ及び外周部のマイクロ波透過窓４４ｂ～４４ｇからなる複数のマイクロ波透過窓４４の少なくともいずれかに対向するように設けられてもよい。ただし、７つの突出部２４を中央部及び外周部のマイクロ波透過窓４４ａ～４４ｇのそれぞれに対向して設けることで、よりプラズマ着火の性能を向上できる。

ＡＬＤ法による成膜ではプラズマのオン及びオフの切り替えを短時間で繰り返すプロセスが行われる。よって、ミリ秒のオーダーでプラズマ着火のオンを制御する可能性がある。このため、中央部のマイクロ波透過窓４４ａ側がプラズマ着火してからミリ秒のオーダーで遅延して外周部のマイクロ波透過窓４４ｂ～４４ｇ側がプラズマ着火すると、成膜プロセスに影響が生じる場合がある。

そこで、図６（ｂ）に示すように、すべてのマイクロ波透過窓４４ａ～４４ｇに対向する位置に一つずつ、合計で７つの突出部２４をシャワー板１５１から各マイクロ波透過窓４４に向けて突出するように配置する。これにより、７つのマイクロ波透過窓４４の下方にて短時間でプラズマをオン及びオフできる。このため、ＡＬＤ法による成膜プロセスに好適であり、ＣＶＤ法による成膜プロセスにも使用できる。

突出部２４の配置とプラズマ電子密度との関係について、図６（ａ）及び（ｂ）を参照しながら説明する。図６（ａ）の参考例は、中央部のマイクロ波透過窓４４ａ及び外周部のマイクロ波透過窓４４ｂ～４４ｇのいずれの対向位置にも突出部２４がない場合のプラズマ電子密度Ｎｅの分布をグラフに示す。図６（ｂ）の本実施形態は、中央部のマイクロ波透過窓４４ａ及び外周部のマイクロ波透過窓４４ｂ～４４ｇのすべての対向位置に突出部２４を設けた場合のプラズマ電子密度Ｎｅの分布をグラフに示す。

これによれば、図６（ａ）の参考例では、７つのマイクロ波透過窓４４から放射されるマイクロ波によってプラズマ生成空間Ｕ１にて生成されるプラズマは、各マイクロ波透過窓４４の下方で最も高いプラズマ電子密度Ｎｅのピークを有し、プラズマ電子密度Ｎｅが山型分布となる。よって、参考例では、プラズマ生成空間Ｕ１におけるプラズマ電子密度Ｎｅの分布にバラツキが生じている。

一方、図６（ｂ）の本実施形態では、７つのマイクロ波透過窓４４の下方のプラズマ生成空間Ｕ１にて生成されるプラズマはドーナツ形状であり、各マイクロ波透過窓４４の下方のプラズマ電子密度Ｎｅのピークが平坦化する。これにより、低圧時にプラズマ電子密度Ｎｅが山型分布になることを緩和し、プラズマ電子密度Ｎｅの分布のバラツキを抑制できる。

なお、７つのマイクロ波透過窓４４の下方に７つの突出部２４を設けた場合に限らず、１つのマイクロ波透過窓４４ａに対向して中央部に１つの突出部２４を設けた場合にも、参考例と比較して低圧時のプラズマ電子密度Ｎｅの山型分布を緩和することができる。

［突出部の変形例］
以上に説明したプラズマ着火源として機能する突出部２４の変形例１、２について、図７、図８を参照しながら説明する。図７は、突出部の変形例１を示す図である。図８は、突出部の変形例２を示す図である。

変形例１、２にかかる突出部２４は、シャワー板１５１に一部が埋め込まれ、マイクロ波透過窓４４に近接するようにシャワー板１５１から突出し、少なくとも一部に導体を含んでいる。導体は電極として機能する。更に、変形例１、２にかかる突出部２４にはマイクロ波透過窓４４に向けて開口するガス孔２４ｊが設けられ、ガス孔２４ｊの端面は、拡径されている。突出部２４のガス孔２４ｊは、第１ガス導入部２１に替えて又は第１ガス導入部２１とともに第１ガス供給源２２に接続され、第１ガス供給源２２からの第１ガスをプラズマ生成空間Ｕ１に供給する。

図７の変形例１の突出部２４は、円柱状の全体をアルミナ、ＡｌＮ、石英等の誘電体２４ｇで形成されている。変形例１に係る突出部２４の内部には、突出部２４を貫通するガス孔２４ｊが形成されている。ガス孔２４ｊは、細孔２４ｊ１と細孔２４ｊ１から拡径された拡径部２４ｊ２を有し、ガス孔２４ｊ先端の開口部２４ｈは拡径部２４ｊ２からマイクロ波透過窓４４に向けて開口する。ガス孔２４ｊから還元ガスが供給される。

変形例１の突出部２４では、誘電体２４ｇの中に導体２４ｉが埋め込まれている。導体２４ｉは、アルミニウムなどの金属により形成され、内部電極として機能する。導体２４ｉは、ドーナツ形状（環状）であり、ガス孔２４ｊの端面近傍であって拡径部２４ｊ２の外周に埋め込まれている。導体２４ｉは、突出部２４を形成する誘電体２４ｇに覆われ、ガス孔２４ｊの内壁に露出しない。

変形例２に係る突出部２４は、円柱状の全体を導体２４ｋで形成し、導体２４ｋの周囲をアルミナ等の誘電体２４ｆで被覆している。この場合にも突出部２４の内部にガス孔２４ｊが形成され、ガス孔２４ｊは、細孔２４ｊ１と拡径部２４ｊ２を有し、ガス孔２４ｊ先端の開口部２４ｈは拡径部２４ｊ２からマイクロ波透過窓４４に向けて開口する。ガス孔２４ｊの細孔２４ｊ１及び拡径部２４ｊ２のサイズは変形例１、２で同一であり、拡径部２４ｊ２のガス孔２４ｊの先端からの深さ（長さ）は、５ｍｍ以上である。ガス孔２４ｊの細孔２４ｊ１の直径は、１ｍｍよりも小さく、例えば０．３ｍｍである。拡径部２４ｊ２及び開口部２４ｈの直径は、３ｍｍ以上であって、かつ、プラズマ中のマイクロ波の表面波波長λの１／８以下である。このように、拡径部２４ｊ２を設けることにより、ガス孔２４ｊでの異常放電を抑制することができる。

図７の導体２４ｉの先端又は図８の導体２４ｋの先端からマイクロ波透過窓４４の表面までの距離Ｄは、導体２４ｉの先端近傍の電界が十分低くなる距離であり、３ｍｍ～１０ｍｍ程度離間されていればよい。ただし、距離Ｄは５ｍｍ～１０ｍｍ程度離間すればコンタミネーション、パーティクル、ダメージをより抑制でき、より好ましい。

導体２４ｉを誘電体２４ｇ内に埋め込むこと、及び導体２４ｋを誘電体２４ｆでコーティングすることで、突出部２４のプラズマ耐性を高め、プラズマによる消耗及び劣化を抑制することができる。突出部２４の変形例１、２の構成によってもプラズマ着火を容易にし、ガスの分解効率を向上させることができる。なお、図７および図８に示した突出部２４の先端部の形状は、角部を面取りした丸みを帯びた形状としてもよい。

突出部２４のガス孔２４ｊは、マイクロ波透過窓４４に向かってガスを吐出する。このため、電磁波のエネルギーが集中した範囲にガスを噴射することでプラズマ生成空間Ｕ１にてＮ_２ガス等の還元ガスである第１ガスを充分に解離させることができる。これにより、ガスの分解効率とラジカルの生成効率をより向上させることができる。これにより、変形例１、２にかかる突出部２４は、プラズマ着火源としての機能に加え、ガスノズルとしての機能を有する。

周波数が高いほどラジカル生成効率が高い。よって、本開示のプラズマ処理装置１００によれば、一般的な高周波（マイクロ波帯よりも低い周波数）よりも周波数の高いマイクロ波リモートプラズマの機能によってラジカル生成効率を向上させることができる。

そして、本開示のプラズマ処理装置１００によれば、マイクロ波リモートプラズマの機能を実現するために、シャワー板１５１にプラズマ着火源（パッシブ着火源）として機能する突出部２４を設置する構造とする。つまり、複数のマイクロ波透過窓４４の放射面の中心の直下に５ｍｍ程度の距離を置いて導体を有する突出部２４を設置し、これをプラズマ着火源として作用させる。これによれば、マイクロ波を放射するマイクロ波透過窓４４の放射面下の着火電界が最も強い領域に突出部２４を設置することでマイクロ波透過窓４４下の電界をさらに強めることができる。この強められた電界によりプロセス実施時の整合位置のままでのプラズマ着火が可能となり、インピーダンス整合時間を省略してプロセスを実行することが可能となる。これによりプラズマ着火のオン及びオフを高速で切り替え可能なマイクロ波リモートプラズマを提供できる。

このようにしてプラズマ生成空間Ｕ１において生成されたプラズマのうちイオンの多くがシャワー板１５１を通過する際に除去される。これにより、プラズマのうちイオンを最小限にして多くのラジカルを処理空間Ｕ２に供給するマイクロ波リモートプラズマを提供できる。

［プラズマ処理方法］
７つの突出部２４を７個のマイクロ波透過窓４４に設置した場合、すべてのマイクロ波放射機構４３を介してマイクロ波透過窓４４の放射面からマイクロ波パワーを同時に供給し、各マイクロ波透過窓４４の下方でプラズマ着火する。

突出部２４を中央部のマイクロ波透過窓４４ａのみに設置した場合、プラズマ着火シーケンスは、中央部のマイクロ波透過窓４４ａ側を先にプラズマ着火させ、その着火より遅延して外周部のマイクロ波透過窓４４ｂ～４４ｇ側でプラズマ着火させ、全体をプラズマ着火させる。後者のプラズマ着火シーケンスについてプラズマ処理方法を、図９を参照しながら説明する。このプラズマ処理方法は、制御部３が制御し、プラズマ処理装置１００が実行する。

まず、ステップＳ１において、制御部３は、ウエハＷをチャンバ１内に搬入し、載置台１１上に載置する。次に、ステップＳ３において、制御部３は、第１ガス供給源２２から高エネルギーで分解させたい還元ガス等の第１ガスを供給し、第１ガス導入部２１からプラズマ生成空間Ｕ１へ吐出する。変形例に係る突出部２４を使用する場合には、制御部３は、ガス孔２４ｊから第１ガスをプラズマ生成空間Ｕ１のマイクロ波透過窓４４の近傍へ供給する。ガス孔２４ｊ及び／又は第１ガス導入部２１から第１ガスを供給してもよい。また、制御部３は、第２ガス供給源２５から分解させたくないシランガス等の第２ガスを供給し、第２ガス導入部２３から処理空間Ｕ２に直接供給する。

次に、ステップＳ５において、制御部３は、中央部のマイクロ波透過窓４４ａからマイクロ波を放射する。次に、ステップＳ７において、制御部３は、所定時間が経過したかを判定する。所定時間は、例えば１ｍｓ～１ｓである。

ステップＳ７において、制御部３は、所定時間が経過するまで待ち、所定時間が経過したと判定した場合、中央部のマイクロ波透過窓４４ａ側でプラズマが着火したと判定する。そして、ステップＳ９において、制御部３は、外周部のマイクロ波透過窓４４ｂ～４４ｇからマイクロ波を放射する。これにより、外周部のマイクロ波透過窓４４ｂ～４４ｇ側も確実にプラズマ着火することができる。

次に、ステップＳ１１において、制御部３は、ウエハＷにシリコン含有膜等の成膜処理を行い、本処理を終了する。

本実施形態では、チャンバ１内において、マイクロ波放射面を有するマイクロ波透過窓４４が露出したマイクロ波放射板５０の直下の高電界形成領域に接地電位のシャワー板１５１を設ける。これにより、マイクロ波透過窓４４からマイクロ波を放射した際にマイクロ波放射板５０とシャワー板１５１とで形成されるプラズマ生成空間Ｕ１が高電界領域となり、プラズマ生成空間Ｕ１に供給された第１ガスのプラズマが生成される。このとき、マイクロ波放射面直下に形成された表面波が高電界領域であるプラズマ生成空間Ｕ１に閉じ込められる。このため、プラズマ生成空間Ｕ１中ではプラズマの電力吸収効率を高く維持することができる。更にマイクロ波透過窓４４の近傍に突出部２４を設け、プラズマ着火源として機能させる。これにより、プラズマ生成空間Ｕ１中で安定した放電が生じやすくなり、異常放電を生じ難くすることができる。これにより、プラズマ着火を容易にし、ラジカルの生成効率を向上させることができる。

突出部２４は、絶縁プローブとしてプラズマの状態を検出するように構成することができる。これにより、絶縁プローブから取得した信号を突出部２４に接続されたコンピュータに送信し、コンピュータにより解析することで、チャンバ１内のプラズマ電子密度とプラズマ電子温度をモニタでき、プラズマの状態を解析できる。

この場合、チャンバ１に計測用の窓を開け、プラズマ計測のモニタ（ＯＥＳ（Optical Emission Spectrometer：発光分光分析器）、絶縁プローブ等）を取り付け、プラズマの状態を検出するようにしてもよい。

今回開示された実施形態に係るプラズマ処理装置及びプラズマ処理方法は、すべての点において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。実施形態は、添付の請求の範囲及びその主旨を逸脱することなく、様々な形態で変形及び改良が可能である。

１００ プラズマ処理装置
１ チャンバ
２ マイクロ波プラズマ源
３ 制御部
１１ 載置台
２１ 第１ガス導入部
２３ 第２ガス導入部
２４ 突出部
３０ マイクロ波出力部
４０ マイクロ波供給部
４３ マイクロ波放射機構
４４ マイクロ波透過窓
５０ マイクロ波放射板
１５１ シャワー板
Ｕ１ プラズマ生成空間
Ｕ２ 処理空間

Claims (12)

1. チャンバと、
   前記チャンバ内に設けられた載置台と、
   前記チャンバの壁面に設けられたマイクロ波透過窓と、
   前記マイクロ波透過窓を介して前記チャンバ内にマイクロ波を供給するマイクロ波供給部と、
   前記チャンバ内を、前記マイクロ波透過窓が配置された領域であるプラズマ生成空間と、前記載置台が配置された領域である処理空間と、に区画するシャワー板と、
   前記シャワー板から前記プラズマ生成空間に突出し、少なくとも一部に導体を含む突出部と、
   を有するプラズマ処理装置。
2. 前記突出部はプラズマ着火源として機能する、
   請求項１に記載のプラズマ処理装置。
3. 前記突出部の前記マイクロ波透過窓に近接する部位は誘電体で形成され、
   前記導体は、前記誘電体を介して前記マイクロ波透過窓に近接する、
   請求項１又は２に記載のプラズマ処理装置。
4. 前記突出部には、前記マイクロ波透過窓に向けて開口するガス孔が設けられている、
   請求項１～３のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。
5. 前記ガス孔の端面は、拡径されている、
   請求項４に記載のプラズマ処理装置。
6. 前記導体から前記マイクロ波透過窓の表面までの最短距離は、３ｍｍ～１０ｍｍである、
   請求項１～５のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。
7. 前記シャワー板には複数の貫通孔が形成されている、
   請求項１～６のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。
8. 前記マイクロ波透過窓は、前記チャンバの壁面の中心部と、前記中心部を囲む外周部と、にそれぞれ設けられ、
   前記突出部は、前記中心部のマイクロ波透過窓及び前記外周部のマイクロ波透過窓からなる複数の前記マイクロ波透過窓の少なくともいずれかに対向するように１又は複数設けられる、
   請求項１～７のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。
9. 前記突出部は、前記中心部のマイクロ波透過窓に対向するように設けられる、
   請求項８に記載のプラズマ処理装置。
10. 前記突出部は、前記中心部のマイクロ波透過窓及び前記外周部のマイクロ波透過窓のそれぞれに対向するように複数設けられる、
    請求項８に記載のプラズマ処理装置。
11. 請求項８～１０のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置が実行するプラズマ処理方法であって、
    （ａ）基板を準備するステップと、
    （ｂ）チャンバ内にガスを供給するステップと、
    （ｃ）複数の前記マイクロ波透過窓の少なくともいずれかにマイクロ波パワーを供給しプラズマを着火させるステップと、
    （ｄ）前記（ｃ）のステップから所定時間経過後に、マイクロ波パワーを供給していない残りの複数の前記マイクロ波透過窓にマイクロ波パワーを供給するステップと、
    （ｅ）生成したプラズマにより前記基板に所定の処理を実行するステップと、
    を含むプラズマ処理方法。
12. 前記（ｃ）のステップは、前記中心部のマイクロ波透過窓にマイクロ波パワーを供給し、
    前記（ｄ）のステップは、前記外周部のマイクロ波透過窓にマイクロ波パワーを供給する、
    請求項１１に記載のプラズマ処理方法。

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