プラズマ処理装置およびプラズマ処理方法
【課題】プラズマ処理の面内均一性を向上させることが可能なプラズマ処理装置を提供する。
【解決手段】プラズマ処理装置１１は、マイクロ波を発生させるマイクロ波発生装置４１と、処理容器１２と、処理容器１２の上部開口を閉鎖するように配置される誘電体窓１６と、誘電体窓１６の上方に配置されるスロットアンテナ板１７と、スロットアンテナ板１７の上方側に配置される誘電体部材１８と、スロットアンテナ板１７にマイクロ波を導入する導波部３２とを備える。ここで、マイクロ波発生装置４１は、搬送波を変調することによって所定の周波数帯域幅を有するマイクロ波を生成する変調装置６１を有する。
【解決手段】プラズマ処理装置１１は、マイクロ波を発生させるマイクロ波発生装置４１と、処理容器１２と、処理容器１２の上部開口を閉鎖するように配置される誘電体窓１６と、誘電体窓１６の上方に配置されるスロットアンテナ板１７と、スロットアンテナ板１７の上方側に配置される誘電体部材１８と、スロットアンテナ板１７にマイクロ波を導入する導波部３２とを備える。ここで、マイクロ波発生装置４１は、搬送波を変調することによって所定の周波数帯域幅を有するマイクロ波を生成する変調装置６１を有する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プラズマ処理装置およびプラズマ処理方法に関するものであって、特に、マイクロ波を用いてプラズマを励起するプラズマ処理装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ＬＳＩ（Ｌａｒｇｅ Ｓｃａｌｅ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｃｉｒｃｕｉｔ）やＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ）、ＭＯＳ（Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）等の半導体装置は、プラズマエッチングやプラズマＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）等のプラズマ処理によって製造される。このような処理を行うプラズマ処理装置において、マイクロ波を用いてプラズマを励起するプラズマ処理装置が、従来から知られている。このような従来技術として、特開平６−７３５６８号公報（特許文献１）が、開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平６−７３５６８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
このようなプラズマ処理装置においては、処理容器内に設けられた支持台上に円板状の被処理基板を載置し、上記したようなプラズマ処理を行う。被処理基板上には、複数個の半導体装置が形成されることとなるため、被処理基板の全面に亘って処理が均一に行われることが要求される。このようにプラズマ処理の面内均一性を向上させるためには、プラズマ処理が行われる処理容器内により均一なプラズマを安定して形成することが必要となる。
【０００５】
特許文献１に記載のプラズマ処理装置は、電子サイクロトロン共鳴（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｃｙｃｌｏｔｒｏｎ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ：ＥＣＲ）を利用したプラズマ装置である。図１６に、特許文献１に記載のプラズマ処理装置を示す。このプラズマ処理装置においては、マイクロ波発生器５においてマイクロ波を生成し、導波管４を介してマイクロ波導入部１ａからプラズマ発生室１に導入する。プラズマ発生室１の周囲には磁場印加手段としての磁気コイル６が設けられており、マイクロ波発生器５により発生させられたマイクロ波と磁気コイル６により印加された磁界との相互作用によって起きる電子サイクロトロン共鳴によりプラズマ発生室１内の電子が加速され、加速された電子によってプラズマを発生する。このように生成されたプラズマを用いて、試料台８上に載置された被処理基板９に対してプラズマ処理が行われる。
【０００６】
ここで、上記プラズマ発生室１において生じる電子サイクロトロン共鳴のポイントは、導入されるマイクロ波の周波数と、磁気コイル６により形成される磁場の強度とによって、一義的に決定される。また、磁気コイル６によってプラズマ発生室１内に形成される磁場強度には分布（幅）が存在する。したがって、特許文献１に記載のプラズマ処理装置においては、プラズマ発生室１における共鳴ポイントをより増加させるために、変調器１０を用いてマイクロ波を周波数変調することによって、マイクロ波に帯域幅を持たせている。これにより、プラズマ発生室１内に生成されるプラズマの均一性を向上させることができるとしている。
【０００７】
しかしながら、特許文献１に記載のプラズマ処理装置は、上記したように電子サイクロトロン共鳴を利用したプラズマ装置である。このプラズマ処理装置は、プラズマを生成するために、磁気コイルによって形成される磁場を利用するため、制御が困難であることに加え、磁気装置を用いる必要があることから装置が大型化することも避けられない。また、この方法により生成されたプラズマの電子温度は、２．５〜１０ｅＶ程度と比較的に大きくなってしまう。したがって、このプラズマによってプラズマ処理をした場合、被処理基板に対して、比較的に大きなプラズマダメージを与えてしまうこととなる。このようなプラズマダメージは、半導体装置の性能に悪影響を与えるものであり、近年、半導体製造分野において、プラズマダメージの低減に対する要求が非常に高くなってきている。
【０００８】
特許文献１に記載のプラズマ処理装置に比べて、プラズマ生成に係る制御がより容易であることや、装置を比較的にコンパクトに構成することができること、さらには、より低電子温度且つ高電子密度のプラズマを生成可能であるといった利点を有するプラズマ処理装置として、複数のスロットが設けられたスロットアンテナ板（ＲＬＳＡ：Ｒａｄｉａｌ Ｌｉｎｅ Ｓｌｏｔ Ａｎｔｅｎｎａ）を備えるプラズマ処理装置が、開発されている。
【０００９】
このプラズマ処理装置は、処理容器の上部に配置される誘電体窓と、誘電体窓の上方側に配置され、マイクロ波を誘電体窓へ放射するスロットアンテナ板とを備える。このスロットアンテナ板は、アンテナの中心側に位置する領域と、アンテナの周縁側に位置する領域において、周方向に略等間隔に配列するように設けられた複数のスロットを有している。スロットアンテナ板に導入されたマイクロ波は、このスロットを通過し、誘電体窓におけるスロット直下の領域に強い電界を形成する。そして、誘電体窓を介して処理容器内に放射されたマイクロ波によって、処理容器内にプラズマが生成される。
【００１０】
このようなプラズマ処理装置においては、処理容器内により均一なプラズマを安定して生成するために、スロットアンテナ板の中心側の領域に設けられたスロットの直下、および周縁側の領域に設けられたスロットの直下の双方の領域において、偏差のない強い電界を形成することが望ましい。
【００１１】
しかしながら、このようなスロットアンテナ板を備えるプラズマ処理装置においては、マイクロ波がスロットを介して誘電体窓へと導入されると、誘電体窓の内部において、各スロットから放射されるマイクロ波同士の干渉や、入射波と反射波との合成によって生じる定在波等の影響によって、誘電体窓の内部の電界強度分布に固有モードが生じる。すなわち、マイクロ波同士が強め合う領域と弱め合う領域とが形成され、誘電体窓内部に形成される電界に偏りが生じる恐れがある。このような誘電体窓内部に生じる電界強度分布のモードは、処理容器の容積、プラズマ処理装置を構成する部材の形状や材質、入力されるマイクロ波の周波数等に大きく依存する。
【００１２】
ここで、従来のスロットアンテナ板を用いたプラズマ処理装置においては、周波数帯域の狭い略単一周波数からなるマイクロ波を用いてプラズマを励起していた。この場合、誘電体窓に形成される電界強度分布が、その周波数および構成部材に固有のモードとして固定されることとなる。このため、中心領域と周縁領域との間において、スロットの直下の領域に形成される電界に偏差が生じ易く、且つ、偏差が生じた場合にそれを是正するように調整することが非常に困難であった。
【００１３】
また、例えば周波数ドリフト等によって、マイクロ波発生装置によって生成されるマイクロ波の周波数に変動が生じた場合に、上記のように誘電体窓内の電界強度分布のモードもそれに追随して大きく変化することとなるため、処理容器内の電界を大きく変動させてしまう。このような電界の変動は、モードジャンプ等のプラズマモードの不安定化をもたらし、プラズマ処理に大きく影響することとなるため、好ましくない。
【００１４】
本発明の目的は、プラズマ処理の面内均一性を向上させることが可能なプラズマ処理装置を提供することである。
【００１５】
本発明の他の目的は、プラズマ処理の面内均一性を向上させることが可能なプラズマ処理方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明に係るプラズマ処理装置は、マイクロ波を発生させるマイクロ波発生装置と、内部においてプラズマ処理を行う上部開口の処理容器と、処理容器の上部開口を閉鎖するように配置される円形状の誘電体窓と、誘電体窓の上方に配置され、中心側に位置する第一領域において周方向に略等間隔に配列するように設けられた第一スロットと、周縁側に位置する第二領域において周方向に略等間隔に配列するように設けられた第二スロットとを有する円板状のスロットアンテナ板と、スロットアンテナ板の上方側に配置され、マイクロ波を径方向に伝搬させる誘電体部材と、スロットアンテナ板にマイクロ波を導入する導波部とを備える。ここで、上記マイクロ波発生装置は、搬送波を変調することによって所定の周波数帯域幅を有するマイクロ波を生成する変調装置を有する。
【００１７】
この構成によれば、スロットアンテナ板を用いることによって、誘電体窓の中央領域および周縁領域にマイクロ波を効果的に供給することができ、処理容器内に低電子密度且つ高電子密度のプラズマを生成することが可能となる。ここで、マイクロ波発生装置には変調装置が備えられていることから、マイクロ波発生装置によって生成されるマイクロ波は、所定の周波数帯域に亘って拡散する周波数成分を有することとなる。したがって、誘電体窓内の中央領域および周縁領域において、マイクロ波の定在波や各スロットから放射されたマイクロ波同士の干渉等によって生じる電界の偏りを、緩和させることができる。これにより、処理容器内により均一なプラズマを安定して生成することができるため、プラズマ処理の面内均一性を向上させることができる。
【００１８】
すなわち、上記特許文献１に記載のプラズマ処理装置は、磁気コイルを備え、電子サイクロトロン共鳴を利用してプラズマを生成する装置であって、電子サイクロトロン共鳴のポイントを増加させことにより結果的にプラズマの均一性を向上させているのに対し、本発明に係るプラズマ処理装置は、上記構成のスロットアンテナ板を備え、各スロットから放射されたマイクロ波同士の干渉等によって生じる電界の偏りを緩和させることによって均一なプラズマを生成する装置である。したがって、特許文献１に記載のプラズマ処理装置と、本発明とは、装置構成や装置構成に起因する均一なプラズマを生成するための手法が、大きく異なるものである。
【００１９】
好ましくは、変調装置は、搬送波を周波数変調することよって所定の周波数帯域幅を有するマイクロ波を生成する。また、変調装置は、搬送波を位相変調することによって所定の周波数帯域幅を有するマイクロ波を生成してもよい。この構成によれば、比較的容易な手段によって、マイクロ波の周波数成分を、搬送波周波数を基準として所定の周波数帯域に拡散させることができる。また、マイクロ波の基準周波数および周波数帯域幅を容易に制御可能であるため、用途に応じて適宜マイクロ波を容易に調整することができる。
【００２０】
好ましくは、変調装置は、搬送波を生成する搬送波発振器と、搬送波を変調するための変調波を生成する変調波発振器と、搬送波を変調波によって変調する変調器と、所定の周波数帯域より低い周波数成分、および、所定の周波数帯域より高い周波数成分の少なくともいずれか一方を遮断するフィルターと、マイクロ波を導波部に送信する送信器とを有する。
【００２１】
好ましくは、マイクロ波発生装置により生成されたマイクロ波は、所定の周波数帯域に亘って一定の振幅の周波数成分を有するように制御される。この構成によれば、当該周波数帯域内におけるマイクロ波の周波数成分が全て均一化されるため、誘電体窓内に生じる電界の偏りを、より効果的に緩和させることができる。
【００２２】
好ましくは、マイクロ波の周波数帯域幅は、２．３５ＧＨｚ〜２．５５ＧＨｚの範囲内に設定される。
【００２３】
本発明の他の局面において、プラズマ処理方法は、内部においてプラズマ処理が行われる処理容器内にプロセスガスを供給する工程と、搬送波を変調することによって所定の周波数帯域幅を有するマイクロ波を生成する工程と、生成されたマイクロ波によって処理容器内にプラズマを励起する工程と、処理容器内において被処理基板をプラズマ処理する工程とを備える。
【００２４】
この構成によれば、生成されるマイクロ波は、所定の周波数帯域に亘って拡散する周波数成分を有することとなる。したがって、処理容器内の中央領域および周縁領域において生じる電界の偏りを、より緩和させることができる。これにより、処理容器内により均一なプラズマを安定して生成することができるため、プラズマ処理の面内均一性を向上させることができる。
【００２５】
好ましくは、上記マイクロ波を生成する工程は、搬送波を周波数変調することによって所定の周波数帯域幅を有するマイクロ波を生成する工程である。また、上記マイクロ波を生成する工程は、搬送波を位相変調することによって所定の周波数帯域幅を有するマイクロ波を生成する工程であってもよい。この構成によれば、比較的容易な手段によって、マイクロ波の周波数成分を、搬送波周波数を基準として所定の周波数帯域に拡散させることができる。また、マイクロ波の基準周波数および周波数帯域幅を容易に制御可能であるため、用途に応じて適宜マイクロ波を容易に調整することができる。
【発明の効果】
【００２６】
本発明によれば、誘電体窓内の中央領域および周縁領域において、マイクロ波の定在波や各スロットから放射されたマイクロ波同士の干渉等によって生じる電界の偏りを、緩和させることができる。これにより、処理容器内により均一なプラズマを安定して生成することができるため、プラズマ処理の面内均一性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の一実施形態に係るプラズマ処理装置の要部を示す概略断面図である。
【図２】図１に示すプラズマ処理装置に含まれるスロットアンテナ板を図１中の矢印ＩＩの方向から見た図である。
【図３】本発明の一実施形態に係る変調装置のブロック図である。
【図４】周波数変調の例を示すグラフであって、搬送波、変調波、変調により生成された信号の時間波形および変調により生成された信号の周波数スペクトルをそれぞれ示す。
【図５】本発明の一実施形態に係る変調器において周波数変調を行った場合のマイクロ波信号の周波数スペクトルを示す。
【図６】図５に示すマイクロ波信号のフィルター通過後の周波数スペクトルを示す。
【図７】プラズマ処理装置において２．４５ＧＨｚのマイクロ波を誘電体窓に導入した場合に、誘電体窓の下面に形成された電界分布のシミュレーション結果を示す。
【図８】図７に示す電圧分布を線図で示した概略図と、図中のＯ−Ｅ領域における中心からの距離と電界強度との関係を示すグラフを示す。
【図９】２．５５ＧＨｚのマイクロ波を誘電体窓に導入した場合の電界分布のシミュレーション結果を示す図であって、図７に対応する。
【図１０】図９に示す電圧分布を線図で示した概略図と、図中のＯ−Ｅ領域における中心からの距離と電界強度との関係を示すグラフを示す。
【図１１】２．６５ＧＨｚのマイクロ波を誘電体窓に導入した場合の電界分布のシミュレーション結果を示す図であって、図７に対応する。
【図１２】図１１に示す電圧分布を線図で示した概略図と、図中のＯ−Ｅ領域における中心からの距離と電界強度との関係を示すグラフを示す。
【図１３】本発明の一実施形態に係るプラズマ処理装置により生成した２．５５ＧＨｚ±２００ＭＨｚの周波数帯域幅を有するマイクロ波を誘電体窓に導入した場合の電界分布のシミュレーション結果を示す図であって、図７に対応する。
【図１４】図１３に示す電圧分布を線図で示した概略図と、図中のＯ−Ｅ領域における中心からの距離と電界強度との関係を示すグラフを示す。
【図１５】誘電体窓の中心からの距離と、電界強度との関係を示すグラフである。
【図１６】従来のプラズマ処理装置を示す概略断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づき詳細に説明する。まず、図１および図２を用いて、本発明の一実施形態に係るプラズマ処理装置１１の構成および動作について説明する。図１は、本発明の一実施形態に係るプラズマ処理装置１１の要部を示す概略断面図である。図２は、図１に示すプラズマ処理装置１１に含まれるスロットアンテナ板１７を下方側、すなわち、図１中の矢印ＩＩの方向から見た図である。なお、図１においては、理解の容易の観点から、部材の一部のハッチングを省略している。
【００２９】
図１および図２を参照して、プラズマ処理装置１１は、その内部で被処理基板Ｗにプラズマ処理を行う処理容器１２と、処理容器１２内にプラズマ処理用のガスを供給するプラズマ処理用ガス供給部１３と、その上に被処理基板Ｗを保持する円板状の支持台１４と、処理容器１２内にプラズマを発生させるプラズマ発生機構１９と、プラズマ処理装置１１全体を制御する制御部（図示せず）とを備える。制御部は、プラズマ処理用ガス供給部１３におけるガス流量、処理容器１２内の圧力等、プラズマ処理装置１１全体の制御を行う。
【００３０】
処理容器１２は、支持台１４の下方側に位置する底部２１と、底部２１の外周から上方向に延びる側壁２２とを含む。側壁２２は、略円筒状である。処理容器１２の底部２１には、その一部を貫通するように排気用の排気孔２３が設けられている。処理容器１２の上部側は開口しており、処理容器１２の上部側に配置される環状部２４、後述する誘電体窓１６、および誘電体窓１６と環状部２４との間に介在するシール部材としてのＯリング２５によって、処理容器１２は密封可能に構成されている。
【００３１】
プラズマ処理用ガス供給部１３は、被処理基板Ｗの中央に向かってガスを供給する第一のプラズマ処理用ガス供給部２６と、被処理基板Ｗの外側からガスを供給する第二のプラズマ処理用ガス供給部２７とを含む。第一のプラズマ処理用ガス供給部２６は、誘電体窓１６の径方向中央部に設けられたプラズマ処理用ガス供給孔３０ａを介して、処理容器１２内にガスを供給している。第一のプラズマ処理用ガス供給部２６は、第一のプラズマ処理用ガス供給部２６に接続されたガス供給系２９により流量等を調整しながらプラズマ処理用ガスを供給する。第二のプラズマ処理用ガス供給部２７は、側壁２２の上部側の一部に設けられた複数のプラズマ処理用ガス供給孔３０ｂを介して、処理容器１２内にプラズマ処理用ガスを供給している。複数のプラズマ処理用ガス供給孔３０ｂは、周方向に等配に設けられている。
【００３２】
支持台１４は、静電チャック（図示せず）によりその上に被処理基板Ｗを保持可能である。なお、この静電チャックは、省略してもよい。支持台１４は、内部に設けられた温度調整機構（図示せず）により所望の温度に設定可能である。支持台１４は、底部２１の下方側から垂直上方に延びる絶縁性の筒状支持部３１に支持されている。上記した排気孔２３は、処理容器１２の底部２１の一部を貫通するように設けられている。環状の排気孔２３の下方側には排気管（図示せず）を介して排気装置（図示せず）が接続されている。排気装置は、ターボ分子ポンプなどの真空ポンプを有している。排気装置により、処理容器１２内を所定の圧力まで減圧することができる。
【００３３】
プラズマ発生機構１９は、処理容器１２外に設けられるプラズマ励起用のマイクロ波を発生させるマイクロ波発生装置４１と、支持台１４と対向する位置に配置され、マイクロ波発生装置４１により発生させたマイクロ波を処理容器１２内に導入する誘電体窓１６と、複数のスロット２０が設けられており、誘電体窓１６の上方側に配置され、マイクロ波を誘電体窓１６に放射するスロットアンテナ板１７と、スロットアンテナ板１７の上方側に配置され、導入されたマイクロ波を径方向に伝播する誘電体部材１８と、マイクロ波発生装置４１によって送信されたマイクロ波を誘電体部材１８に導入する導波部３２とを含む。
【００３４】
誘電体窓１６は、略円板状の誘電体から構成されており、処理容器１２の上部開口を閉鎖するように上記環状部２４上に配置される。誘電体窓１６の下面２８の一部には、テーパ状に凹んだ環状の凹部３７が設けられている。この凹部３７により、誘電体窓１６の下部側にマイクロ波によるプラズマを効率的に生成することができる。なお、誘電体窓１６の具体的な材質としては、石英やアルミナ等が挙げられる。
【００３５】
本実施形態に係るスロットアンテナ板１７は、薄板状であって、円板状である。スロットアンテナ板１７には、複数の長孔状のスロット２０が設けられている。これら複数のスロット２０においては、図２に示すように、一対のスロット２０が、略ハの字状に直交するように設けられており、一対のスロット２０が、周方向に所定の間隔を開けて設けられている。より具体的には、スロット２０は、スロットアンテナ板１７の中心側に位置する第一領域３８において周方向に等間隔に配列するように設けられた第一スロット対２０ａと、第一領域３８よりも径方向外側、すなわちスロットアンテナ板１７の周縁側に位置する第二領域３９において周方向に等間隔に配列するように設けられた第二スロット対２０ｂとから構成されている。
【００３６】
第一スロット対２０ａは、径方向内側に位置する第一内スロット２０ａ１と、第一内スロット２０ａ１と径方向外側において隣り合う第一外スロット２０ａ２とが、一対となることによって構成されている。本実施形態においては、第一スロット対２０ａは、周方向に約６０°の間隔を空けて配列するように計六個設けられている。また、一対となる第一内スロット２０ａ１と第一外スロット２０ａ２とは、互いに略直交するように配置され、図２に示す方向から見た場合に、時計回り方向側に向けて略ハの字に開口するように設けられている。また、第一内スロット２０ａ１および第一外スロット２０ａ２の長手方向の幅は、互いに略等しくなっている。
【００３７】
同様に、第二スロット対２０ｂは、径方向内側に位置する第二内スロット２０ｂ１と、第二内スロット２０ｂ１と径方向外側において隣り合う第二外スロット２０ｂ２とが、一対となることによって構成されている。本実施形態においては、第二スロット対２０ｂは、径方向内側と径方向外側の二列に分かれ、周方向に略等間隔に配列している。径方向内側において配列する第二スロット対２０ｂは、約１５°の間隔毎に計２４個設けられている。これに対し、径方向外側において配列する第二スロット対２０ｂは、約１０°の間隔毎に計３６個設けられている。
【００３８】
誘電体部材１８は、円形状の薄板状部材であって、誘電体窓１６と同心に配置されている。また、誘電体部材１８は、誘電体部材１８の下端面と誘電体窓１６の上端面とが対面するように配置されている。この誘電体部材１８は、導波部３２から導入されたマイクロ波を、外径方向に伝搬させ、スロットアンテナ板１７のスロット２０を通して誘電体窓１６へ導入する。
【００３９】
上記マイクロ波発生装置４１によって送信されたマイクロ波は、導波部３２内を伝搬し、誘電体部材１８に導入される。導波部３２は、マイクロ波発生器４１に接続される導波管３５と、誘電体部材１８に接続される同軸導波管３３と、導波部３２および同軸導波管３３の連結部に設けられたモード変換器３４とを含む。
【００４０】
導波管３５は、断面円形状または矩形状の導電体から構成されており、一端がマイクロ波発生器４１に接続され、マイクロ波発生器４１から横方向に延在するように設けられている。なお、導波管３５の経路途中には、マッチング機構３６が設けられている。このマッチング機構３６によって、導波管３５内をマイクロ波発生装置４１に向かって進行する反射波が吸収される。これにより、導波管３５内において進行波と反射波とによって形成される定在波が、マイクロ波発生装置４１に影響を及ぼすことを防止することができる。同軸導波管３３は、円筒状の外部導体および内部導体から構成されており、内部導体の下端がスロットアンテナ板１７の中心部に接続されている。モード変換器３４は、マイクロ波発生装置４１により生成されて導波部３２内を伝搬してきたＴＥモードのマイクロ波をＴＥＭモードへ変換し、同軸導波管３３へと伝搬させる。
【００４１】
マイクロ波発生装置４１により送信されたマイクロ波は、上記同軸導波管３３内を伝搬し、誘電体部材１８に導入される。そして、誘電体部材１８の内部を外径方向に伝搬し、スロットアンテナ板１７に設けられた複数のスロット２０から誘電体窓１６に放射される。誘電体窓１６に導入されたマイクロ波は、誘電体窓１６の内部に電界を形成する。そして、誘電体窓１６を透過したマイクロ波が、誘電体窓１６の直下に電界を生じさせ、処理容器１２内にプラズマを生成する。すなわち、本実施形態に係るプラズマ処理装置１１においては、プラズマ処理に供されるマイクロ波プラズマが、上記した構成のスロットアンテナ板１７および誘電体部材１８を含むラジアルラインスロットアンテナ（ＲＬＳＡ：Ｒａｄｉａｌ Ｌｉｎｅ Ｓｌｏｔ Ａｎｔｅｎｎａ）により生成される。
【００４２】
次に、本発明の一実施形態に係るマイクロ波発生装置４１について、図１および図３を用いて説明する。図３は、本発明の一実施形態に係る変調装置６１のブロック図である。
【００４３】
図１および図３を参照して、本発明の一実施形態に係るマイクロ波発生装置４１は、搬送波を変調することによって所定の周波数帯域幅を有するマイクロ波を生成する変調装置６１を有する。変調装置６１は、所定の周波数の搬送波を生成する搬送波発振器４２と、単一周波数または周波数帯域幅を有する変調波を生成する変調波発振器４３と、変調波によって上記搬送波を変調する変調器４４と、所定の周波数より低い周波数成分および所定の周波数より高い周波数成分を遮断するフィルター４５と、フィルター４５から出力されたマイクロ波を上記導波管３５に送信する送信器４６とから構成されている。
【００４４】
本実施形態に係る変調装置６１においては、まず、搬送波発振器４２によって基準となる搬送波が生成される。また、変調波発振器４３によって、単一周波数または周波数帯域幅を有する変調波が生成される。搬送波の周波数、および変調波の周波数または周波数帯域幅は、処理容器１２内において行われるプラズマ処理に応じて適宜設定される。そして、変調器４４において、搬送波が変調波により変調される。これにより、搬送波周波数を基準として上下側波帯に周波数スペクトルを拡散させる。次いで、この信号をフィルター４５に入力し、所定の周波数帯域のみを通過させるように信号処理を行う。その結果、所定の周波数帯域に亘ってスペクトルが拡散したマイクロ波信号が生成される。このように、搬送波周波数を基準として周波数スペクトルを拡散させる変調としては、例えば、周波数変調、位相変調等が典型例として挙げられる。
【００４５】
ここで、図４に周波数変調の一例を示す。図４は、上から搬送波の時間波形、変調波の時間波形、変調により生成された信号の時間波形、変調により生成された信号の周波数スペクトルをそれぞれ示す。なお、図４においては、理解の容易の観点から、変調波として単一周波数の正弦波を用いている。図４に示すように、線５４に示す搬送波を線５５に示す変調波によって周波数変調することによって、線５６に示すマイクロ波信号が形成される。このマイクロ波信号は、線５７に示すように、搬送波周波数ｆｃを基準として、上下側波帯に無限に拡散する周波数スペクトルを有している。このように、搬送波を周波数変調することによって、広域な周波数帯域に亘ってスペクトルが拡散したマイクロ波信号を、容易に生成することが可能である。
【００４６】
本実施形態に係る変調装置６１に周波数変調を適用する場合は、上記したように、搬送波および変調波の周波数を、プラズマ処理に応じて適宜選択する。その一例としては、例えば搬送波周波数を、ｆｃ＝２．４５ＧＨｚの周波数に設定し、任意の周波数帯域幅を有する変調波によって周波数変調する。そして、生成されたマイクロ波信号を、ｆＬ＝２．３５ＧＨｚ〜ｆＨ＝２．５５ＧＨｚの帯域通過特性を有するフィルター４５に入力し、２．３５ＧＨｚより低い周波数成分、および、２．５５ＧＨｚより高い周波数成分を遮断する。図５および図６に、その場合における周波数スペクトルを概略的に示す。図５は、変調器４４から出力されたマイクロ波信号の周波数スペクトルを示す。図６は、フィルター４５から出力されたマイクロ波信号の周波数スペクトルを示す。
【００４７】
図５および図６を参照して、変調器４４から出力されたマイクロ波信号は、搬送波周波数ｆｃを基準として、上下側波帯に無限に拡散する周波数スペクトルを有している。このような周波数帯域を有するマイクロ波信号に対して、フィルター４５によって、低域遮断周波数ｆＬから高域遮断周波数ｆＨまでの帯域の周波数成分のみ通過するように信号処理される。こうして、図６に示すように、ｆＬ〜ｆＨまでに亘る所定の周波数帯域幅を有するマイクロ波信号が生成される。
【００４８】
次に、本発明の一実施形態に係るプラズマ処理方法について説明する。本発明の一実施形態に係るプラズマ処理方法は、処理容器１２内にプロセスガスを供給する工程と、所定の周波数帯域幅を有するマイクロ波を生成する工程と、生成されたマイクロ波を用いて処理容器１２内にプラズマを励起する工程と、励起されたプラズマによって被処理基板Ｗをプラズマ処理する工程とを備える。
【００４９】
以下、各工程について、説明する。処理容器１２内にプロセスガスを供給する工程において、ガス供給系２９から、プラズマ処理用ガス供給部１３を介して、処理容器１２内にプラズマ処理用のプロセスガス等が供給される。このとき、上記の制御部によって、第一のプラズマ処理用ガス供給部２６、および、第二のプラズマ処理用ガス供給部２７から供給されるプロセスガスの種類や流量比が、行われるプラズマ処理に応じて適宜制御される。
【００５０】
次に、マイクロ波発生装置４１において、上記したような所定の周波数帯域幅を有するマイクロ波を生成する。マイクロ波生成工程においては、上記したように、まず、所定の周波数の搬送波が、搬送波発振器４２によって生成される。また、単一周波数または周波数帯域幅を有する変調波が、変調波発振器４３において生成される。そして、変調器４４において、上記搬送波が変調波によって変調される。これにより、搬送波周波数を基準として上下側波帯に周波数スペクトルを拡散させる。変調方式としては、上記のように、周波数変調、または位相変調を適用可能である。このようにして生成されたマイクロ波信号をフィルター４５に入力し、所定の周波数より低い周波数成分および所定の周波数より高い周波数成分が遮断され、所定の周波数帯域幅を有するマイクロ波信号が生成される。そして、フィルター４５から出力されたマイクロ波信号を、送信器４６によって上記導波管３５に送信する。
【００５１】
送信器４６から導波管３５に送信されたマイクロ波は、導波部３２、誘電体部材１８、スロットアンテナ板１７、および誘電体窓１６を経て、処理容器１２内に伝搬される。そして、処理容器１２内にプラズマが励起される。
【００５２】
次いで、処理容器１２内に励起されたプラズマを用いて、支持台１４上に保持された被処理基板Ｗに対して、プラズマエッチングや、プラズマＣＶＤ（（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）、プラズマスパッタリング等のプラズマ処理を行う。
【００５３】
上記したように、本発明においては、プラズマ励起のために、所定の周波数帯域幅を有するマイクロ波が用いられる。これにより、誘電体窓１６の内部において生じる電界の偏りを、相対的に緩和させることができるため、誘電体窓の直下により均一な電界を形成することができる。
【００５４】
次に、上記した本発明の効果について、本願発明者によって行われた誘電体窓に生じる電界強度に関するシミュレーション結果に基づいて、以下に説明する。
【００５５】
まず、図７〜図１２を用いて、単一周波数のマイクロ波を適用した場合に誘電体窓に形成される電界強度について説明する。図７は、プラズマ処理装置において２．４５ＧＨｚの単一周波数のマイクロ波を誘電体窓に導入した場合に、誘電体窓の下面に形成された電界分布のシミュレーション結果を示す。図８は、図７に示す電圧分布を線図で示した概略図と、図中のＯ−Ｅ領域における中心からの距離と電界強度との関係を示すグラフを示す。図９は、２．５５ＧＨｚの単一周波数のマイクロ波を誘電体窓に導入した場合の電界分布のシミュレーション結果を示す図であって、図７に対応する。図１０は、図９に示す電圧分布を線図で示した概略図と、図中のＯ−Ｅ領域における中心からの距離と電界強度との関係を示すグラフを示す。図１１は、２．６５ＧＨｚの単一周波数のマイクロ波を誘電体窓に導入した場合の電界分布のシミュレーション結果を示す図であって、図７に対応する。図１２は、図１１に示す電圧分布を線図で示した概略図と、図中のＯ−Ｅ領域における中心からの距離と電界強度との関係を示すグラフを示す。なお、図８、図１０、および図１２中の領域４７〜４９は、電界強度の等高線によって画定された領域を示しており、電界の強さに関して、領域４７、領域４８、領域４９の順に強い電界が形成されていることを示すものである（電界強度：領域４７＞領域４８＞領域４９）。また、点線領域３８ａ、３９ａは、上記スロットアンテナ板１７の第一領域３８および第二領域３９に相当する誘電体窓の領域をそれぞれ示す。
【００５６】
図７および図８を参照して、２．４５ＧＨｚの単一周波数マイクロ波を誘電体窓に導入した場合は、中心側に位置する領域３８ａにおいて強い電界領域４７、４８が形成されており、周縁側に位置する領域３９ａには強い電界領域が形成されていないことが分かる。すなわち、この場合においては、スロットアンテナ板１７の中心側に位置する第一領域３８に設けられた第一スロット対２０ａの直下に強い電界が形成され、スロットアンテナ板１７の周縁側に位置する第二領域３９に設けられた第二スロット対２０ｂの直下の電界が弱まっていることが分かる。
【００５７】
図９および図１０を参照して、導入するマイクロ波周波数を２．５５ＧＨｚに変化させると、電界分布が大きく変化し、領域３８ａに形成されていた電界の強度が弱まり、領域３９ａの電界が、やや強まっていることが分かる。
【００５８】
図１１および図１２を参照して、導入するマイクロ波周波数を２．６５ＧＨｚに変化させると、領域３８ａに形成されていた電界の強度が大幅に弱まり、領域３９ａにおいて強い電界領域４７、４８が広く形成されていることが分かる。すなわち、この場合においては、スロットアンテナ板１７の第一領域３８に設けられた第一スロット対２０ａの直下の電界が大幅に弱まった一方、スロットアンテナ板１７の第二領域３９に設けられた第二スロット対２０ｂの直下の電界が大幅に強まったことが分かる。
【００５９】
このように、プラズマ処理装置において単一周波数のマイクロ波を適用した場合においては、スロットアンテナ板のスロットの直下に形成される電界の強度が、マイクロ波周波数に依存して大きく変動することが明らかである。
【００６０】
次に、図１３〜図１５を用いて、プラズマ処理装置において所定の周波数帯域幅を有するマイクロ波を導入した場合に誘電体窓に形成される電界強度について説明する。図１３は、本実施形態に係るプラズマ処理装置により生成した２．５５ＧＨｚ±２００ＭＨｚ（２．３５ＧＨｚ〜２．７５ＧＨｚ）の周波数帯域幅を有するマイクロ波を誘電体窓に導入した場合の電界分布のシミュレーション結果を示す図である。図１４は、図１３に示す電圧分布を線図で示した概略図と、図中のＯ−Ｅ領域における中心からの距離と電界強度との関係を示すグラフを示す。図１５は、図８、図１２、図１４に示すグラフを一つのグラフに統合したものであって、線５１は２．５５ＧＨｚ±２００ＭＨｚの周波数帯域幅を有するマイクロ波を導入した場合、線５２は２．４５ＧＨｚの単一周波数のマイクロ波を導入した場合、線５３は２．５５ＧＨｚの単一周波数のマイクロ波を導入した場合、線５４は２．６５ＧＨｚの単一周波数のマイクロ波を導入した場合をそれぞれ示す。
【００６１】
図１３および図１４を参照して、誘電体窓に２．５５ＧＨｚ±２００ＭＨｚ（２．３５ＧＨｚ〜２．７５ＧＨｚ）の周波数帯域幅を有するマイクロ波を導入した場合は、領域３８ａおよび領域３９ａの双方において、強い電界領域４７，４８が形成されていることが分かる。すなわち、上記図７〜図１２と比較すると明らかなように、所定の周波数帯域に拡散する周波数成分を包含するマイクロ波を用いることによって、スロットアンテナ板１７の中央側に位置する第一領域３８に設けられた第一スロット対２０ａの直下と、周縁側に位置する第二領域３９に設けられた第二スロット対２０ｂの直下の双方の領域において、強い電界を形成することができることが分かる。
【００６２】
また、図１５を参照して、２．５５ＧＨｚ±２００ＭＨｚの周波数帯域幅を有するマイクロ波を導入した場合は、単一周波数マイクロ波を用いた場合に比べて、誘電体窓の中心からいずれの距離の位置においても、より強い電界が形成されていることが分かる。より具体的には、２．４５ＧＨｚの単一周波数のマイクロ波を導入した場合（線５２）は、誘電体窓の中心側に位置する上記領域３８ａ（中心からの距離が０．０４〜０．０８ｍ付近の領域）において電界強度のピークが表れている。２．５５ＧＨｚの単一周波数のマイクロ波を導入した場合（線５３）は、領域３８ａにおける電界強度のピークが下がる一方、上記領域３９ａ（中心からの距離が０．１３〜０．１６ｍ付近の領域）における電界強度が強まってきていることが分かる。そして、２．６５ＧＨｚの単一周波数のマイクロ波を導入した場合（線５４）は、誘電体窓の周縁側に位置する領域３９ａにおいて大きな電界強度のピークが表れている。これに対して、２．５５ＧＨｚ±２００ＭＨｚの周波数帯域幅を有するマイクロ波を導入した場合（線５１）は、領域３８ａおよび領域３９ａの双方において、同程度の電界強度のピークが表れていることが分かる。
【００６３】
このように、本実施形態によれば、スロットアンテナ板の中央領域の直下、および周縁領域の直下の双方の領域において、強い電界を偏差なく形成することが可能となる。このような結果となることについて、以下に簡単に考察する。
【００６４】
図１３および図１４に示すシミュレーションに用いられたマイクロ波は、２．４５ＧＨｚ〜２．６５ＧＨｚの周波数帯域に亘って拡散する周波数成分を有している。すなわち、このマイクロ波は、２．４５ＧＨｚ〜２．６５ＧＨｚの帯域内において、異なる周波数のマイクロ波を無数に包含するものである。ここで、上記したように、誘電体窓の内部に生じるマイクロ波の定在波、および、スロットアンテナ板の各スロットから放射されたマイクロ波同士の干渉等によって生じる電界の偏り、すなわち電界分布モードは、周波数に大きく依存して変化する。図７〜図１２に示したように、２．４５ＧＨｚの単一周波数マイクロ波を誘電体窓に導入した場合は、スロットアンテナ板１７の中心側に位置する第一領域３８に設けられた第一スロット対２０ａの直下に強い電界が形成され、２．５５ＧＨｚ、２．６５ＧＨｚへとマイクロ波周波数を変化させていくと、今度はスロットアンテナ板１７の周縁側に位置する第二領域３９に設けられた第二スロット対２０ｂの直下に強い電界が形成されるようになった。一方、本実施形態のように２．４５ＧＨｚ〜２．６５ＧＨｚの帯域幅を有するマイクロ波を用いた場合は、第一スロット対２０ａの直下の領域に強い電界を形成する２．５５ＧＨｚの周波数成分、および第二スロット対２０ｂの直下の領域に強い電界を形成する２．６５ＧＨｚの周波数成分をはじめ、上記周波数帯域内の無数の周波数成分を包含するために、図１３〜図１５に示すように誘電体窓の中央領域および周縁領域のいずれの領域においても図７〜図１２よりも強い電界を形成することができたものと考えられる。
【００６５】
このように、本実施形態によれば、所定の周波数帯域幅を有するマイクロ波を用いることによって、単一周波数のマイクロ波を用いた場合に比べて、スロットアンテナ板の中央領域の直下、および周縁領域の直下の双方の領域において、強い電界を偏差なく形成することが可能となる。これにより、処理用容器内により均一なプラズマを生成することが可能となるため、プラズマ処理の面内均一性を向上させることができる。
【００６６】
さらに、このマイクロ波は、上記のように無数の周波数成分を包含することから、例えば周波数ドリフト等によって、マイクロ波発生装置によって生成されるマイクロ波の周波数に変動が生じた場合においても、誘電体窓内に生じる電界分布への影響を相対的に小さくすることができる。すなわち、周波数ドリフト等によるプラズマ処理の面内均一性への影響を抑えることができる。また、モードジャンプのようなプラズマモードの不安定化を抑制することができる。
【００６７】
なお、上記実施形態においては、所定の周波数帯域幅を有するマイクロ波信号を生成するための変調方式として、周波数変調を適用した場合について説明した。しかしながら、これに限らず、例えば位相変調等によっても搬送波周波数を基準として周波数スペクトルを拡散させることが可能であるため、本発明に適用することが可能である。また、このような変調を実行する変調器は、比較的容易に構築することが可能である。したがって、比較的に容易な手段によって、マイクロ波の周波数成分を、搬送波周波数を基準として所定の周波数帯域に拡散させることができる。また、マイクロ波の基準周波数および周波数帯域幅を容易に制御可能であるため、行われるプラズマ処理に応じて適宜マイクロ波を調整することができる。
【００６８】
また、上記した実施形態においては、周波数変調によって生成された上記図６に示す周波数スペクトルを有するマイクロ波を用いた場合について説明した。しかしながら、これに限らず、例えば所定の周波数帯域に亘って一定の振幅の周波数成分を有するように制御されたマイクロ波を用いてもよい。この構成によれば、当該周波数帯域内におけるマイクロ波の周波数成分の振幅が全て均一化されるため、誘電体窓に生じる電界分布の均一性を、より効果的に向上させることができる。このようなマイクロ波の生成手段としては、例えばホワイトノイズや周期インパルスのように、広帯域に亘って一定の振幅スペクトルを有する信号を、フィルター等によって所定の周波数帯域の周波数成分のみを取り出すように制御する方法が考えられる。
【００６９】
また、上記実施形態においては、２．４５ＧＨｚ〜２．６５ＧＨｚの周波数帯域幅を有するマイクロ波を用いた場合について説明したが、これに限らず、マイクロ波の周波数帯域幅は、行われるプラズマ処理に応じて最適となるように適宜設定されるものである。
【００７０】
また、本発明に係るマイクロ波発生装置における変調は、アナログ回路またはデジタル回路のいずれによって構成されてもよい。デジタル変調方式としては、例えばＡＳＫやＰＳＫ等のいずれの変調方式を適用してもよい。また、周波数ホッピング等のスペクトラム拡散方式を適用することも可能である。
【００７１】
また、上記実施形態においては、スロットアンテナ板の第一領域に周方向に配列する第一スロット対が一列設けられ、第二領域に周方向に配列する第二スロット対が二列設けられている場合について説明したが、これに限らず、第一領域に二列以上の第一スロット対が設けられていてもよく、また、第二領域に一列もしくは三列以上の第二スロット対が設けられていてもよい。
【００７２】
以上、図面を参照して本発明の実施の形態を説明したが、本発明は、図示した実施の形態のものに限定されない。図示した実施の形態に対して、本発明と同一の範囲内において、あるいは均等の範囲内において、種々の修正や変形を加えることが可能である。
【符号の説明】
【００７３】
１１ プラズマ処理装置、１２ 処理容器、１３，２６，２７ ガス供給部、１４ 支持台、１６ 誘電体窓、１７ スロットアンテナ板、１８ 誘電体部材、１９ プラズマ発生機構、２０，２０ａ，２０ａ１，２０ａ２，２０ｂ，２０ｂ１，２０ｂ２ スロット、２１ 底部、２２ 側壁、２３ 排気孔、２４ 環状部、２５ Ｏリング、２８ 下面、２９ ガス供給系、３０ａ，３０ｂ ガス供給孔、３１ 筒状支持部、３２ 導波部、３３ 同軸導波管、３４ モード変換器、３５ 導波管、３６ マッチング機構、４１ マイクロ波発生装置、４２，４３ 発振器、４４ 変調器、４５ フィルター、４６ 送信器、３８，３８ａ，３９，３９ａ，４７，４８，４９，５０ 領域、５１，５２，５３，５４，５５，５６，５７ 線、６１ 変調装置。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プラズマ処理装置およびプラズマ処理方法に関するものであって、特に、マイクロ波を用いてプラズマを励起するプラズマ処理装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ＬＳＩ（Ｌａｒｇｅ Ｓｃａｌｅ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｃｉｒｃｕｉｔ）やＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ）、ＭＯＳ（Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）等の半導体装置は、プラズマエッチングやプラズマＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）等のプラズマ処理によって製造される。このような処理を行うプラズマ処理装置において、マイクロ波を用いてプラズマを励起するプラズマ処理装置が、従来から知られている。このような従来技術として、特開平６−７３５６８号公報（特許文献１）が、開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平６−７３５６８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
このようなプラズマ処理装置においては、処理容器内に設けられた支持台上に円板状の被処理基板を載置し、上記したようなプラズマ処理を行う。被処理基板上には、複数個の半導体装置が形成されることとなるため、被処理基板の全面に亘って処理が均一に行われることが要求される。このようにプラズマ処理の面内均一性を向上させるためには、プラズマ処理が行われる処理容器内により均一なプラズマを安定して形成することが必要となる。
【０００５】
特許文献１に記載のプラズマ処理装置は、電子サイクロトロン共鳴（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｃｙｃｌｏｔｒｏｎ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ：ＥＣＲ）を利用したプラズマ装置である。図１６に、特許文献１に記載のプラズマ処理装置を示す。このプラズマ処理装置においては、マイクロ波発生器５においてマイクロ波を生成し、導波管４を介してマイクロ波導入部１ａからプラズマ発生室１に導入する。プラズマ発生室１の周囲には磁場印加手段としての磁気コイル６が設けられており、マイクロ波発生器５により発生させられたマイクロ波と磁気コイル６により印加された磁界との相互作用によって起きる電子サイクロトロン共鳴によりプラズマ発生室１内の電子が加速され、加速された電子によってプラズマを発生する。このように生成されたプラズマを用いて、試料台８上に載置された被処理基板９に対してプラズマ処理が行われる。
【０００６】
ここで、上記プラズマ発生室１において生じる電子サイクロトロン共鳴のポイントは、導入されるマイクロ波の周波数と、磁気コイル６により形成される磁場の強度とによって、一義的に決定される。また、磁気コイル６によってプラズマ発生室１内に形成される磁場強度には分布（幅）が存在する。したがって、特許文献１に記載のプラズマ処理装置においては、プラズマ発生室１における共鳴ポイントをより増加させるために、変調器１０を用いてマイクロ波を周波数変調することによって、マイクロ波に帯域幅を持たせている。これにより、プラズマ発生室１内に生成されるプラズマの均一性を向上させることができるとしている。
【０００７】
しかしながら、特許文献１に記載のプラズマ処理装置は、上記したように電子サイクロトロン共鳴を利用したプラズマ装置である。このプラズマ処理装置は、プラズマを生成するために、磁気コイルによって形成される磁場を利用するため、制御が困難であることに加え、磁気装置を用いる必要があることから装置が大型化することも避けられない。また、この方法により生成されたプラズマの電子温度は、２．５〜１０ｅＶ程度と比較的に大きくなってしまう。したがって、このプラズマによってプラズマ処理をした場合、被処理基板に対して、比較的に大きなプラズマダメージを与えてしまうこととなる。このようなプラズマダメージは、半導体装置の性能に悪影響を与えるものであり、近年、半導体製造分野において、プラズマダメージの低減に対する要求が非常に高くなってきている。
【０００８】
特許文献１に記載のプラズマ処理装置に比べて、プラズマ生成に係る制御がより容易であることや、装置を比較的にコンパクトに構成することができること、さらには、より低電子温度且つ高電子密度のプラズマを生成可能であるといった利点を有するプラズマ処理装置として、複数のスロットが設けられたスロットアンテナ板（ＲＬＳＡ：Ｒａｄｉａｌ Ｌｉｎｅ Ｓｌｏｔ Ａｎｔｅｎｎａ）を備えるプラズマ処理装置が、開発されている。
【０００９】
このプラズマ処理装置は、処理容器の上部に配置される誘電体窓と、誘電体窓の上方側に配置され、マイクロ波を誘電体窓へ放射するスロットアンテナ板とを備える。このスロットアンテナ板は、アンテナの中心側に位置する領域と、アンテナの周縁側に位置する領域において、周方向に略等間隔に配列するように設けられた複数のスロットを有している。スロットアンテナ板に導入されたマイクロ波は、このスロットを通過し、誘電体窓におけるスロット直下の領域に強い電界を形成する。そして、誘電体窓を介して処理容器内に放射されたマイクロ波によって、処理容器内にプラズマが生成される。
【００１０】
このようなプラズマ処理装置においては、処理容器内により均一なプラズマを安定して生成するために、スロットアンテナ板の中心側の領域に設けられたスロットの直下、および周縁側の領域に設けられたスロットの直下の双方の領域において、偏差のない強い電界を形成することが望ましい。
【００１１】
しかしながら、このようなスロットアンテナ板を備えるプラズマ処理装置においては、マイクロ波がスロットを介して誘電体窓へと導入されると、誘電体窓の内部において、各スロットから放射されるマイクロ波同士の干渉や、入射波と反射波との合成によって生じる定在波等の影響によって、誘電体窓の内部の電界強度分布に固有モードが生じる。すなわち、マイクロ波同士が強め合う領域と弱め合う領域とが形成され、誘電体窓内部に形成される電界に偏りが生じる恐れがある。このような誘電体窓内部に生じる電界強度分布のモードは、処理容器の容積、プラズマ処理装置を構成する部材の形状や材質、入力されるマイクロ波の周波数等に大きく依存する。
【００１２】
ここで、従来のスロットアンテナ板を用いたプラズマ処理装置においては、周波数帯域の狭い略単一周波数からなるマイクロ波を用いてプラズマを励起していた。この場合、誘電体窓に形成される電界強度分布が、その周波数および構成部材に固有のモードとして固定されることとなる。このため、中心領域と周縁領域との間において、スロットの直下の領域に形成される電界に偏差が生じ易く、且つ、偏差が生じた場合にそれを是正するように調整することが非常に困難であった。
【００１３】
また、例えば周波数ドリフト等によって、マイクロ波発生装置によって生成されるマイクロ波の周波数に変動が生じた場合に、上記のように誘電体窓内の電界強度分布のモードもそれに追随して大きく変化することとなるため、処理容器内の電界を大きく変動させてしまう。このような電界の変動は、モードジャンプ等のプラズマモードの不安定化をもたらし、プラズマ処理に大きく影響することとなるため、好ましくない。
【００１４】
本発明の目的は、プラズマ処理の面内均一性を向上させることが可能なプラズマ処理装置を提供することである。
【００１５】
本発明の他の目的は、プラズマ処理の面内均一性を向上させることが可能なプラズマ処理方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明に係るプラズマ処理装置は、マイクロ波を発生させるマイクロ波発生装置と、内部においてプラズマ処理を行う上部開口の処理容器と、処理容器の上部開口を閉鎖するように配置される円形状の誘電体窓と、誘電体窓の上方に配置され、中心側に位置する第一領域において周方向に略等間隔に配列するように設けられた第一スロットと、周縁側に位置する第二領域において周方向に略等間隔に配列するように設けられた第二スロットとを有する円板状のスロットアンテナ板と、スロットアンテナ板の上方側に配置され、マイクロ波を径方向に伝搬させる誘電体部材と、スロットアンテナ板にマイクロ波を導入する導波部とを備える。ここで、上記マイクロ波発生装置は、搬送波を変調することによって所定の周波数帯域幅を有するマイクロ波を生成する変調装置を有する。
【００１７】
この構成によれば、スロットアンテナ板を用いることによって、誘電体窓の中央領域および周縁領域にマイクロ波を効果的に供給することができ、処理容器内に低電子密度且つ高電子密度のプラズマを生成することが可能となる。ここで、マイクロ波発生装置には変調装置が備えられていることから、マイクロ波発生装置によって生成されるマイクロ波は、所定の周波数帯域に亘って拡散する周波数成分を有することとなる。したがって、誘電体窓内の中央領域および周縁領域において、マイクロ波の定在波や各スロットから放射されたマイクロ波同士の干渉等によって生じる電界の偏りを、緩和させることができる。これにより、処理容器内により均一なプラズマを安定して生成することができるため、プラズマ処理の面内均一性を向上させることができる。
【００１８】
すなわち、上記特許文献１に記載のプラズマ処理装置は、磁気コイルを備え、電子サイクロトロン共鳴を利用してプラズマを生成する装置であって、電子サイクロトロン共鳴のポイントを増加させことにより結果的にプラズマの均一性を向上させているのに対し、本発明に係るプラズマ処理装置は、上記構成のスロットアンテナ板を備え、各スロットから放射されたマイクロ波同士の干渉等によって生じる電界の偏りを緩和させることによって均一なプラズマを生成する装置である。したがって、特許文献１に記載のプラズマ処理装置と、本発明とは、装置構成や装置構成に起因する均一なプラズマを生成するための手法が、大きく異なるものである。
【００１９】
好ましくは、変調装置は、搬送波を周波数変調することよって所定の周波数帯域幅を有するマイクロ波を生成する。また、変調装置は、搬送波を位相変調することによって所定の周波数帯域幅を有するマイクロ波を生成してもよい。この構成によれば、比較的容易な手段によって、マイクロ波の周波数成分を、搬送波周波数を基準として所定の周波数帯域に拡散させることができる。また、マイクロ波の基準周波数および周波数帯域幅を容易に制御可能であるため、用途に応じて適宜マイクロ波を容易に調整することができる。
【００２０】
好ましくは、変調装置は、搬送波を生成する搬送波発振器と、搬送波を変調するための変調波を生成する変調波発振器と、搬送波を変調波によって変調する変調器と、所定の周波数帯域より低い周波数成分、および、所定の周波数帯域より高い周波数成分の少なくともいずれか一方を遮断するフィルターと、マイクロ波を導波部に送信する送信器とを有する。
【００２１】
好ましくは、マイクロ波発生装置により生成されたマイクロ波は、所定の周波数帯域に亘って一定の振幅の周波数成分を有するように制御される。この構成によれば、当該周波数帯域内におけるマイクロ波の周波数成分が全て均一化されるため、誘電体窓内に生じる電界の偏りを、より効果的に緩和させることができる。
【００２２】
好ましくは、マイクロ波の周波数帯域幅は、２．３５ＧＨｚ〜２．５５ＧＨｚの範囲内に設定される。
【００２３】
本発明の他の局面において、プラズマ処理方法は、内部においてプラズマ処理が行われる処理容器内にプロセスガスを供給する工程と、搬送波を変調することによって所定の周波数帯域幅を有するマイクロ波を生成する工程と、生成されたマイクロ波によって処理容器内にプラズマを励起する工程と、処理容器内において被処理基板をプラズマ処理する工程とを備える。
【００２４】
この構成によれば、生成されるマイクロ波は、所定の周波数帯域に亘って拡散する周波数成分を有することとなる。したがって、処理容器内の中央領域および周縁領域において生じる電界の偏りを、より緩和させることができる。これにより、処理容器内により均一なプラズマを安定して生成することができるため、プラズマ処理の面内均一性を向上させることができる。
【００２５】
好ましくは、上記マイクロ波を生成する工程は、搬送波を周波数変調することによって所定の周波数帯域幅を有するマイクロ波を生成する工程である。また、上記マイクロ波を生成する工程は、搬送波を位相変調することによって所定の周波数帯域幅を有するマイクロ波を生成する工程であってもよい。この構成によれば、比較的容易な手段によって、マイクロ波の周波数成分を、搬送波周波数を基準として所定の周波数帯域に拡散させることができる。また、マイクロ波の基準周波数および周波数帯域幅を容易に制御可能であるため、用途に応じて適宜マイクロ波を容易に調整することができる。
【発明の効果】
【００２６】
本発明によれば、誘電体窓内の中央領域および周縁領域において、マイクロ波の定在波や各スロットから放射されたマイクロ波同士の干渉等によって生じる電界の偏りを、緩和させることができる。これにより、処理容器内により均一なプラズマを安定して生成することができるため、プラズマ処理の面内均一性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の一実施形態に係るプラズマ処理装置の要部を示す概略断面図である。
【図２】図１に示すプラズマ処理装置に含まれるスロットアンテナ板を図１中の矢印ＩＩの方向から見た図である。
【図３】本発明の一実施形態に係る変調装置のブロック図である。
【図４】周波数変調の例を示すグラフであって、搬送波、変調波、変調により生成された信号の時間波形および変調により生成された信号の周波数スペクトルをそれぞれ示す。
【図５】本発明の一実施形態に係る変調器において周波数変調を行った場合のマイクロ波信号の周波数スペクトルを示す。
【図６】図５に示すマイクロ波信号のフィルター通過後の周波数スペクトルを示す。
【図７】プラズマ処理装置において２．４５ＧＨｚのマイクロ波を誘電体窓に導入した場合に、誘電体窓の下面に形成された電界分布のシミュレーション結果を示す。
【図８】図７に示す電圧分布を線図で示した概略図と、図中のＯ−Ｅ領域における中心からの距離と電界強度との関係を示すグラフを示す。
【図９】２．５５ＧＨｚのマイクロ波を誘電体窓に導入した場合の電界分布のシミュレーション結果を示す図であって、図７に対応する。
【図１０】図９に示す電圧分布を線図で示した概略図と、図中のＯ−Ｅ領域における中心からの距離と電界強度との関係を示すグラフを示す。
【図１１】２．６５ＧＨｚのマイクロ波を誘電体窓に導入した場合の電界分布のシミュレーション結果を示す図であって、図７に対応する。
【図１２】図１１に示す電圧分布を線図で示した概略図と、図中のＯ−Ｅ領域における中心からの距離と電界強度との関係を示すグラフを示す。
【図１３】本発明の一実施形態に係るプラズマ処理装置により生成した２．５５ＧＨｚ±２００ＭＨｚの周波数帯域幅を有するマイクロ波を誘電体窓に導入した場合の電界分布のシミュレーション結果を示す図であって、図７に対応する。
【図１４】図１３に示す電圧分布を線図で示した概略図と、図中のＯ−Ｅ領域における中心からの距離と電界強度との関係を示すグラフを示す。
【図１５】誘電体窓の中心からの距離と、電界強度との関係を示すグラフである。
【図１６】従来のプラズマ処理装置を示す概略断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づき詳細に説明する。まず、図１および図２を用いて、本発明の一実施形態に係るプラズマ処理装置１１の構成および動作について説明する。図１は、本発明の一実施形態に係るプラズマ処理装置１１の要部を示す概略断面図である。図２は、図１に示すプラズマ処理装置１１に含まれるスロットアンテナ板１７を下方側、すなわち、図１中の矢印ＩＩの方向から見た図である。なお、図１においては、理解の容易の観点から、部材の一部のハッチングを省略している。
【００２９】
図１および図２を参照して、プラズマ処理装置１１は、その内部で被処理基板Ｗにプラズマ処理を行う処理容器１２と、処理容器１２内にプラズマ処理用のガスを供給するプラズマ処理用ガス供給部１３と、その上に被処理基板Ｗを保持する円板状の支持台１４と、処理容器１２内にプラズマを発生させるプラズマ発生機構１９と、プラズマ処理装置１１全体を制御する制御部（図示せず）とを備える。制御部は、プラズマ処理用ガス供給部１３におけるガス流量、処理容器１２内の圧力等、プラズマ処理装置１１全体の制御を行う。
【００３０】
処理容器１２は、支持台１４の下方側に位置する底部２１と、底部２１の外周から上方向に延びる側壁２２とを含む。側壁２２は、略円筒状である。処理容器１２の底部２１には、その一部を貫通するように排気用の排気孔２３が設けられている。処理容器１２の上部側は開口しており、処理容器１２の上部側に配置される環状部２４、後述する誘電体窓１６、および誘電体窓１６と環状部２４との間に介在するシール部材としてのＯリング２５によって、処理容器１２は密封可能に構成されている。
【００３１】
プラズマ処理用ガス供給部１３は、被処理基板Ｗの中央に向かってガスを供給する第一のプラズマ処理用ガス供給部２６と、被処理基板Ｗの外側からガスを供給する第二のプラズマ処理用ガス供給部２７とを含む。第一のプラズマ処理用ガス供給部２６は、誘電体窓１６の径方向中央部に設けられたプラズマ処理用ガス供給孔３０ａを介して、処理容器１２内にガスを供給している。第一のプラズマ処理用ガス供給部２６は、第一のプラズマ処理用ガス供給部２６に接続されたガス供給系２９により流量等を調整しながらプラズマ処理用ガスを供給する。第二のプラズマ処理用ガス供給部２７は、側壁２２の上部側の一部に設けられた複数のプラズマ処理用ガス供給孔３０ｂを介して、処理容器１２内にプラズマ処理用ガスを供給している。複数のプラズマ処理用ガス供給孔３０ｂは、周方向に等配に設けられている。
【００３２】
支持台１４は、静電チャック（図示せず）によりその上に被処理基板Ｗを保持可能である。なお、この静電チャックは、省略してもよい。支持台１４は、内部に設けられた温度調整機構（図示せず）により所望の温度に設定可能である。支持台１４は、底部２１の下方側から垂直上方に延びる絶縁性の筒状支持部３１に支持されている。上記した排気孔２３は、処理容器１２の底部２１の一部を貫通するように設けられている。環状の排気孔２３の下方側には排気管（図示せず）を介して排気装置（図示せず）が接続されている。排気装置は、ターボ分子ポンプなどの真空ポンプを有している。排気装置により、処理容器１２内を所定の圧力まで減圧することができる。
【００３３】
プラズマ発生機構１９は、処理容器１２外に設けられるプラズマ励起用のマイクロ波を発生させるマイクロ波発生装置４１と、支持台１４と対向する位置に配置され、マイクロ波発生装置４１により発生させたマイクロ波を処理容器１２内に導入する誘電体窓１６と、複数のスロット２０が設けられており、誘電体窓１６の上方側に配置され、マイクロ波を誘電体窓１６に放射するスロットアンテナ板１７と、スロットアンテナ板１７の上方側に配置され、導入されたマイクロ波を径方向に伝播する誘電体部材１８と、マイクロ波発生装置４１によって送信されたマイクロ波を誘電体部材１８に導入する導波部３２とを含む。
【００３４】
誘電体窓１６は、略円板状の誘電体から構成されており、処理容器１２の上部開口を閉鎖するように上記環状部２４上に配置される。誘電体窓１６の下面２８の一部には、テーパ状に凹んだ環状の凹部３７が設けられている。この凹部３７により、誘電体窓１６の下部側にマイクロ波によるプラズマを効率的に生成することができる。なお、誘電体窓１６の具体的な材質としては、石英やアルミナ等が挙げられる。
【００３５】
本実施形態に係るスロットアンテナ板１７は、薄板状であって、円板状である。スロットアンテナ板１７には、複数の長孔状のスロット２０が設けられている。これら複数のスロット２０においては、図２に示すように、一対のスロット２０が、略ハの字状に直交するように設けられており、一対のスロット２０が、周方向に所定の間隔を開けて設けられている。より具体的には、スロット２０は、スロットアンテナ板１７の中心側に位置する第一領域３８において周方向に等間隔に配列するように設けられた第一スロット対２０ａと、第一領域３８よりも径方向外側、すなわちスロットアンテナ板１７の周縁側に位置する第二領域３９において周方向に等間隔に配列するように設けられた第二スロット対２０ｂとから構成されている。
【００３６】
第一スロット対２０ａは、径方向内側に位置する第一内スロット２０ａ１と、第一内スロット２０ａ１と径方向外側において隣り合う第一外スロット２０ａ２とが、一対となることによって構成されている。本実施形態においては、第一スロット対２０ａは、周方向に約６０°の間隔を空けて配列するように計六個設けられている。また、一対となる第一内スロット２０ａ１と第一外スロット２０ａ２とは、互いに略直交するように配置され、図２に示す方向から見た場合に、時計回り方向側に向けて略ハの字に開口するように設けられている。また、第一内スロット２０ａ１および第一外スロット２０ａ２の長手方向の幅は、互いに略等しくなっている。
【００３７】
同様に、第二スロット対２０ｂは、径方向内側に位置する第二内スロット２０ｂ１と、第二内スロット２０ｂ１と径方向外側において隣り合う第二外スロット２０ｂ２とが、一対となることによって構成されている。本実施形態においては、第二スロット対２０ｂは、径方向内側と径方向外側の二列に分かれ、周方向に略等間隔に配列している。径方向内側において配列する第二スロット対２０ｂは、約１５°の間隔毎に計２４個設けられている。これに対し、径方向外側において配列する第二スロット対２０ｂは、約１０°の間隔毎に計３６個設けられている。
【００３８】
誘電体部材１８は、円形状の薄板状部材であって、誘電体窓１６と同心に配置されている。また、誘電体部材１８は、誘電体部材１８の下端面と誘電体窓１６の上端面とが対面するように配置されている。この誘電体部材１８は、導波部３２から導入されたマイクロ波を、外径方向に伝搬させ、スロットアンテナ板１７のスロット２０を通して誘電体窓１６へ導入する。
【００３９】
上記マイクロ波発生装置４１によって送信されたマイクロ波は、導波部３２内を伝搬し、誘電体部材１８に導入される。導波部３２は、マイクロ波発生器４１に接続される導波管３５と、誘電体部材１８に接続される同軸導波管３３と、導波部３２および同軸導波管３３の連結部に設けられたモード変換器３４とを含む。
【００４０】
導波管３５は、断面円形状または矩形状の導電体から構成されており、一端がマイクロ波発生器４１に接続され、マイクロ波発生器４１から横方向に延在するように設けられている。なお、導波管３５の経路途中には、マッチング機構３６が設けられている。このマッチング機構３６によって、導波管３５内をマイクロ波発生装置４１に向かって進行する反射波が吸収される。これにより、導波管３５内において進行波と反射波とによって形成される定在波が、マイクロ波発生装置４１に影響を及ぼすことを防止することができる。同軸導波管３３は、円筒状の外部導体および内部導体から構成されており、内部導体の下端がスロットアンテナ板１７の中心部に接続されている。モード変換器３４は、マイクロ波発生装置４１により生成されて導波部３２内を伝搬してきたＴＥモードのマイクロ波をＴＥＭモードへ変換し、同軸導波管３３へと伝搬させる。
【００４１】
マイクロ波発生装置４１により送信されたマイクロ波は、上記同軸導波管３３内を伝搬し、誘電体部材１８に導入される。そして、誘電体部材１８の内部を外径方向に伝搬し、スロットアンテナ板１７に設けられた複数のスロット２０から誘電体窓１６に放射される。誘電体窓１６に導入されたマイクロ波は、誘電体窓１６の内部に電界を形成する。そして、誘電体窓１６を透過したマイクロ波が、誘電体窓１６の直下に電界を生じさせ、処理容器１２内にプラズマを生成する。すなわち、本実施形態に係るプラズマ処理装置１１においては、プラズマ処理に供されるマイクロ波プラズマが、上記した構成のスロットアンテナ板１７および誘電体部材１８を含むラジアルラインスロットアンテナ（ＲＬＳＡ：Ｒａｄｉａｌ Ｌｉｎｅ Ｓｌｏｔ Ａｎｔｅｎｎａ）により生成される。
【００４２】
次に、本発明の一実施形態に係るマイクロ波発生装置４１について、図１および図３を用いて説明する。図３は、本発明の一実施形態に係る変調装置６１のブロック図である。
【００４３】
図１および図３を参照して、本発明の一実施形態に係るマイクロ波発生装置４１は、搬送波を変調することによって所定の周波数帯域幅を有するマイクロ波を生成する変調装置６１を有する。変調装置６１は、所定の周波数の搬送波を生成する搬送波発振器４２と、単一周波数または周波数帯域幅を有する変調波を生成する変調波発振器４３と、変調波によって上記搬送波を変調する変調器４４と、所定の周波数より低い周波数成分および所定の周波数より高い周波数成分を遮断するフィルター４５と、フィルター４５から出力されたマイクロ波を上記導波管３５に送信する送信器４６とから構成されている。
【００４４】
本実施形態に係る変調装置６１においては、まず、搬送波発振器４２によって基準となる搬送波が生成される。また、変調波発振器４３によって、単一周波数または周波数帯域幅を有する変調波が生成される。搬送波の周波数、および変調波の周波数または周波数帯域幅は、処理容器１２内において行われるプラズマ処理に応じて適宜設定される。そして、変調器４４において、搬送波が変調波により変調される。これにより、搬送波周波数を基準として上下側波帯に周波数スペクトルを拡散させる。次いで、この信号をフィルター４５に入力し、所定の周波数帯域のみを通過させるように信号処理を行う。その結果、所定の周波数帯域に亘ってスペクトルが拡散したマイクロ波信号が生成される。このように、搬送波周波数を基準として周波数スペクトルを拡散させる変調としては、例えば、周波数変調、位相変調等が典型例として挙げられる。
【００４５】
ここで、図４に周波数変調の一例を示す。図４は、上から搬送波の時間波形、変調波の時間波形、変調により生成された信号の時間波形、変調により生成された信号の周波数スペクトルをそれぞれ示す。なお、図４においては、理解の容易の観点から、変調波として単一周波数の正弦波を用いている。図４に示すように、線５４に示す搬送波を線５５に示す変調波によって周波数変調することによって、線５６に示すマイクロ波信号が形成される。このマイクロ波信号は、線５７に示すように、搬送波周波数ｆｃを基準として、上下側波帯に無限に拡散する周波数スペクトルを有している。このように、搬送波を周波数変調することによって、広域な周波数帯域に亘ってスペクトルが拡散したマイクロ波信号を、容易に生成することが可能である。
【００４６】
本実施形態に係る変調装置６１に周波数変調を適用する場合は、上記したように、搬送波および変調波の周波数を、プラズマ処理に応じて適宜選択する。その一例としては、例えば搬送波周波数を、ｆｃ＝２．４５ＧＨｚの周波数に設定し、任意の周波数帯域幅を有する変調波によって周波数変調する。そして、生成されたマイクロ波信号を、ｆＬ＝２．３５ＧＨｚ〜ｆＨ＝２．５５ＧＨｚの帯域通過特性を有するフィルター４５に入力し、２．３５ＧＨｚより低い周波数成分、および、２．５５ＧＨｚより高い周波数成分を遮断する。図５および図６に、その場合における周波数スペクトルを概略的に示す。図５は、変調器４４から出力されたマイクロ波信号の周波数スペクトルを示す。図６は、フィルター４５から出力されたマイクロ波信号の周波数スペクトルを示す。
【００４７】
図５および図６を参照して、変調器４４から出力されたマイクロ波信号は、搬送波周波数ｆｃを基準として、上下側波帯に無限に拡散する周波数スペクトルを有している。このような周波数帯域を有するマイクロ波信号に対して、フィルター４５によって、低域遮断周波数ｆＬから高域遮断周波数ｆＨまでの帯域の周波数成分のみ通過するように信号処理される。こうして、図６に示すように、ｆＬ〜ｆＨまでに亘る所定の周波数帯域幅を有するマイクロ波信号が生成される。
【００４８】
次に、本発明の一実施形態に係るプラズマ処理方法について説明する。本発明の一実施形態に係るプラズマ処理方法は、処理容器１２内にプロセスガスを供給する工程と、所定の周波数帯域幅を有するマイクロ波を生成する工程と、生成されたマイクロ波を用いて処理容器１２内にプラズマを励起する工程と、励起されたプラズマによって被処理基板Ｗをプラズマ処理する工程とを備える。
【００４９】
以下、各工程について、説明する。処理容器１２内にプロセスガスを供給する工程において、ガス供給系２９から、プラズマ処理用ガス供給部１３を介して、処理容器１２内にプラズマ処理用のプロセスガス等が供給される。このとき、上記の制御部によって、第一のプラズマ処理用ガス供給部２６、および、第二のプラズマ処理用ガス供給部２７から供給されるプロセスガスの種類や流量比が、行われるプラズマ処理に応じて適宜制御される。
【００５０】
次に、マイクロ波発生装置４１において、上記したような所定の周波数帯域幅を有するマイクロ波を生成する。マイクロ波生成工程においては、上記したように、まず、所定の周波数の搬送波が、搬送波発振器４２によって生成される。また、単一周波数または周波数帯域幅を有する変調波が、変調波発振器４３において生成される。そして、変調器４４において、上記搬送波が変調波によって変調される。これにより、搬送波周波数を基準として上下側波帯に周波数スペクトルを拡散させる。変調方式としては、上記のように、周波数変調、または位相変調を適用可能である。このようにして生成されたマイクロ波信号をフィルター４５に入力し、所定の周波数より低い周波数成分および所定の周波数より高い周波数成分が遮断され、所定の周波数帯域幅を有するマイクロ波信号が生成される。そして、フィルター４５から出力されたマイクロ波信号を、送信器４６によって上記導波管３５に送信する。
【００５１】
送信器４６から導波管３５に送信されたマイクロ波は、導波部３２、誘電体部材１８、スロットアンテナ板１７、および誘電体窓１６を経て、処理容器１２内に伝搬される。そして、処理容器１２内にプラズマが励起される。
【００５２】
次いで、処理容器１２内に励起されたプラズマを用いて、支持台１４上に保持された被処理基板Ｗに対して、プラズマエッチングや、プラズマＣＶＤ（（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）、プラズマスパッタリング等のプラズマ処理を行う。
【００５３】
上記したように、本発明においては、プラズマ励起のために、所定の周波数帯域幅を有するマイクロ波が用いられる。これにより、誘電体窓１６の内部において生じる電界の偏りを、相対的に緩和させることができるため、誘電体窓の直下により均一な電界を形成することができる。
【００５４】
次に、上記した本発明の効果について、本願発明者によって行われた誘電体窓に生じる電界強度に関するシミュレーション結果に基づいて、以下に説明する。
【００５５】
まず、図７〜図１２を用いて、単一周波数のマイクロ波を適用した場合に誘電体窓に形成される電界強度について説明する。図７は、プラズマ処理装置において２．４５ＧＨｚの単一周波数のマイクロ波を誘電体窓に導入した場合に、誘電体窓の下面に形成された電界分布のシミュレーション結果を示す。図８は、図７に示す電圧分布を線図で示した概略図と、図中のＯ−Ｅ領域における中心からの距離と電界強度との関係を示すグラフを示す。図９は、２．５５ＧＨｚの単一周波数のマイクロ波を誘電体窓に導入した場合の電界分布のシミュレーション結果を示す図であって、図７に対応する。図１０は、図９に示す電圧分布を線図で示した概略図と、図中のＯ−Ｅ領域における中心からの距離と電界強度との関係を示すグラフを示す。図１１は、２．６５ＧＨｚの単一周波数のマイクロ波を誘電体窓に導入した場合の電界分布のシミュレーション結果を示す図であって、図７に対応する。図１２は、図１１に示す電圧分布を線図で示した概略図と、図中のＯ−Ｅ領域における中心からの距離と電界強度との関係を示すグラフを示す。なお、図８、図１０、および図１２中の領域４７〜４９は、電界強度の等高線によって画定された領域を示しており、電界の強さに関して、領域４７、領域４８、領域４９の順に強い電界が形成されていることを示すものである（電界強度：領域４７＞領域４８＞領域４９）。また、点線領域３８ａ、３９ａは、上記スロットアンテナ板１７の第一領域３８および第二領域３９に相当する誘電体窓の領域をそれぞれ示す。
【００５６】
図７および図８を参照して、２．４５ＧＨｚの単一周波数マイクロ波を誘電体窓に導入した場合は、中心側に位置する領域３８ａにおいて強い電界領域４７、４８が形成されており、周縁側に位置する領域３９ａには強い電界領域が形成されていないことが分かる。すなわち、この場合においては、スロットアンテナ板１７の中心側に位置する第一領域３８に設けられた第一スロット対２０ａの直下に強い電界が形成され、スロットアンテナ板１７の周縁側に位置する第二領域３９に設けられた第二スロット対２０ｂの直下の電界が弱まっていることが分かる。
【００５７】
図９および図１０を参照して、導入するマイクロ波周波数を２．５５ＧＨｚに変化させると、電界分布が大きく変化し、領域３８ａに形成されていた電界の強度が弱まり、領域３９ａの電界が、やや強まっていることが分かる。
【００５８】
図１１および図１２を参照して、導入するマイクロ波周波数を２．６５ＧＨｚに変化させると、領域３８ａに形成されていた電界の強度が大幅に弱まり、領域３９ａにおいて強い電界領域４７、４８が広く形成されていることが分かる。すなわち、この場合においては、スロットアンテナ板１７の第一領域３８に設けられた第一スロット対２０ａの直下の電界が大幅に弱まった一方、スロットアンテナ板１７の第二領域３９に設けられた第二スロット対２０ｂの直下の電界が大幅に強まったことが分かる。
【００５９】
このように、プラズマ処理装置において単一周波数のマイクロ波を適用した場合においては、スロットアンテナ板のスロットの直下に形成される電界の強度が、マイクロ波周波数に依存して大きく変動することが明らかである。
【００６０】
次に、図１３〜図１５を用いて、プラズマ処理装置において所定の周波数帯域幅を有するマイクロ波を導入した場合に誘電体窓に形成される電界強度について説明する。図１３は、本実施形態に係るプラズマ処理装置により生成した２．５５ＧＨｚ±２００ＭＨｚ（２．３５ＧＨｚ〜２．７５ＧＨｚ）の周波数帯域幅を有するマイクロ波を誘電体窓に導入した場合の電界分布のシミュレーション結果を示す図である。図１４は、図１３に示す電圧分布を線図で示した概略図と、図中のＯ−Ｅ領域における中心からの距離と電界強度との関係を示すグラフを示す。図１５は、図８、図１２、図１４に示すグラフを一つのグラフに統合したものであって、線５１は２．５５ＧＨｚ±２００ＭＨｚの周波数帯域幅を有するマイクロ波を導入した場合、線５２は２．４５ＧＨｚの単一周波数のマイクロ波を導入した場合、線５３は２．５５ＧＨｚの単一周波数のマイクロ波を導入した場合、線５４は２．６５ＧＨｚの単一周波数のマイクロ波を導入した場合をそれぞれ示す。
【００６１】
図１３および図１４を参照して、誘電体窓に２．５５ＧＨｚ±２００ＭＨｚ（２．３５ＧＨｚ〜２．７５ＧＨｚ）の周波数帯域幅を有するマイクロ波を導入した場合は、領域３８ａおよび領域３９ａの双方において、強い電界領域４７，４８が形成されていることが分かる。すなわち、上記図７〜図１２と比較すると明らかなように、所定の周波数帯域に拡散する周波数成分を包含するマイクロ波を用いることによって、スロットアンテナ板１７の中央側に位置する第一領域３８に設けられた第一スロット対２０ａの直下と、周縁側に位置する第二領域３９に設けられた第二スロット対２０ｂの直下の双方の領域において、強い電界を形成することができることが分かる。
【００６２】
また、図１５を参照して、２．５５ＧＨｚ±２００ＭＨｚの周波数帯域幅を有するマイクロ波を導入した場合は、単一周波数マイクロ波を用いた場合に比べて、誘電体窓の中心からいずれの距離の位置においても、より強い電界が形成されていることが分かる。より具体的には、２．４５ＧＨｚの単一周波数のマイクロ波を導入した場合（線５２）は、誘電体窓の中心側に位置する上記領域３８ａ（中心からの距離が０．０４〜０．０８ｍ付近の領域）において電界強度のピークが表れている。２．５５ＧＨｚの単一周波数のマイクロ波を導入した場合（線５３）は、領域３８ａにおける電界強度のピークが下がる一方、上記領域３９ａ（中心からの距離が０．１３〜０．１６ｍ付近の領域）における電界強度が強まってきていることが分かる。そして、２．６５ＧＨｚの単一周波数のマイクロ波を導入した場合（線５４）は、誘電体窓の周縁側に位置する領域３９ａにおいて大きな電界強度のピークが表れている。これに対して、２．５５ＧＨｚ±２００ＭＨｚの周波数帯域幅を有するマイクロ波を導入した場合（線５１）は、領域３８ａおよび領域３９ａの双方において、同程度の電界強度のピークが表れていることが分かる。
【００６３】
このように、本実施形態によれば、スロットアンテナ板の中央領域の直下、および周縁領域の直下の双方の領域において、強い電界を偏差なく形成することが可能となる。このような結果となることについて、以下に簡単に考察する。
【００６４】
図１３および図１４に示すシミュレーションに用いられたマイクロ波は、２．４５ＧＨｚ〜２．６５ＧＨｚの周波数帯域に亘って拡散する周波数成分を有している。すなわち、このマイクロ波は、２．４５ＧＨｚ〜２．６５ＧＨｚの帯域内において、異なる周波数のマイクロ波を無数に包含するものである。ここで、上記したように、誘電体窓の内部に生じるマイクロ波の定在波、および、スロットアンテナ板の各スロットから放射されたマイクロ波同士の干渉等によって生じる電界の偏り、すなわち電界分布モードは、周波数に大きく依存して変化する。図７〜図１２に示したように、２．４５ＧＨｚの単一周波数マイクロ波を誘電体窓に導入した場合は、スロットアンテナ板１７の中心側に位置する第一領域３８に設けられた第一スロット対２０ａの直下に強い電界が形成され、２．５５ＧＨｚ、２．６５ＧＨｚへとマイクロ波周波数を変化させていくと、今度はスロットアンテナ板１７の周縁側に位置する第二領域３９に設けられた第二スロット対２０ｂの直下に強い電界が形成されるようになった。一方、本実施形態のように２．４５ＧＨｚ〜２．６５ＧＨｚの帯域幅を有するマイクロ波を用いた場合は、第一スロット対２０ａの直下の領域に強い電界を形成する２．５５ＧＨｚの周波数成分、および第二スロット対２０ｂの直下の領域に強い電界を形成する２．６５ＧＨｚの周波数成分をはじめ、上記周波数帯域内の無数の周波数成分を包含するために、図１３〜図１５に示すように誘電体窓の中央領域および周縁領域のいずれの領域においても図７〜図１２よりも強い電界を形成することができたものと考えられる。
【００６５】
このように、本実施形態によれば、所定の周波数帯域幅を有するマイクロ波を用いることによって、単一周波数のマイクロ波を用いた場合に比べて、スロットアンテナ板の中央領域の直下、および周縁領域の直下の双方の領域において、強い電界を偏差なく形成することが可能となる。これにより、処理用容器内により均一なプラズマを生成することが可能となるため、プラズマ処理の面内均一性を向上させることができる。
【００６６】
さらに、このマイクロ波は、上記のように無数の周波数成分を包含することから、例えば周波数ドリフト等によって、マイクロ波発生装置によって生成されるマイクロ波の周波数に変動が生じた場合においても、誘電体窓内に生じる電界分布への影響を相対的に小さくすることができる。すなわち、周波数ドリフト等によるプラズマ処理の面内均一性への影響を抑えることができる。また、モードジャンプのようなプラズマモードの不安定化を抑制することができる。
【００６７】
なお、上記実施形態においては、所定の周波数帯域幅を有するマイクロ波信号を生成するための変調方式として、周波数変調を適用した場合について説明した。しかしながら、これに限らず、例えば位相変調等によっても搬送波周波数を基準として周波数スペクトルを拡散させることが可能であるため、本発明に適用することが可能である。また、このような変調を実行する変調器は、比較的容易に構築することが可能である。したがって、比較的に容易な手段によって、マイクロ波の周波数成分を、搬送波周波数を基準として所定の周波数帯域に拡散させることができる。また、マイクロ波の基準周波数および周波数帯域幅を容易に制御可能であるため、行われるプラズマ処理に応じて適宜マイクロ波を調整することができる。
【００６８】
また、上記した実施形態においては、周波数変調によって生成された上記図６に示す周波数スペクトルを有するマイクロ波を用いた場合について説明した。しかしながら、これに限らず、例えば所定の周波数帯域に亘って一定の振幅の周波数成分を有するように制御されたマイクロ波を用いてもよい。この構成によれば、当該周波数帯域内におけるマイクロ波の周波数成分の振幅が全て均一化されるため、誘電体窓に生じる電界分布の均一性を、より効果的に向上させることができる。このようなマイクロ波の生成手段としては、例えばホワイトノイズや周期インパルスのように、広帯域に亘って一定の振幅スペクトルを有する信号を、フィルター等によって所定の周波数帯域の周波数成分のみを取り出すように制御する方法が考えられる。
【００６９】
また、上記実施形態においては、２．４５ＧＨｚ〜２．６５ＧＨｚの周波数帯域幅を有するマイクロ波を用いた場合について説明したが、これに限らず、マイクロ波の周波数帯域幅は、行われるプラズマ処理に応じて最適となるように適宜設定されるものである。
【００７０】
また、本発明に係るマイクロ波発生装置における変調は、アナログ回路またはデジタル回路のいずれによって構成されてもよい。デジタル変調方式としては、例えばＡＳＫやＰＳＫ等のいずれの変調方式を適用してもよい。また、周波数ホッピング等のスペクトラム拡散方式を適用することも可能である。
【００７１】
また、上記実施形態においては、スロットアンテナ板の第一領域に周方向に配列する第一スロット対が一列設けられ、第二領域に周方向に配列する第二スロット対が二列設けられている場合について説明したが、これに限らず、第一領域に二列以上の第一スロット対が設けられていてもよく、また、第二領域に一列もしくは三列以上の第二スロット対が設けられていてもよい。
【００７２】
以上、図面を参照して本発明の実施の形態を説明したが、本発明は、図示した実施の形態のものに限定されない。図示した実施の形態に対して、本発明と同一の範囲内において、あるいは均等の範囲内において、種々の修正や変形を加えることが可能である。
【符号の説明】
【００７３】
１１ プラズマ処理装置、１２ 処理容器、１３，２６，２７ ガス供給部、１４ 支持台、１６ 誘電体窓、１７ スロットアンテナ板、１８ 誘電体部材、１９ プラズマ発生機構、２０，２０ａ，２０ａ１，２０ａ２，２０ｂ，２０ｂ１，２０ｂ２ スロット、２１ 底部、２２ 側壁、２３ 排気孔、２４ 環状部、２５ Ｏリング、２８ 下面、２９ ガス供給系、３０ａ，３０ｂ ガス供給孔、３１ 筒状支持部、３２ 導波部、３３ 同軸導波管、３４ モード変換器、３５ 導波管、３６ マッチング機構、４１ マイクロ波発生装置、４２，４３ 発振器、４４ 変調器、４５ フィルター、４６ 送信器、３８，３８ａ，３９，３９ａ，４７，４８，４９，５０ 領域、５１，５２，５３，５４，５５，５６，５７ 線、６１ 変調装置。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
マイクロ波を発生させるマイクロ波発生装置と、
内部においてプラズマ処理を行う上部開口の処理容器と、
前記処理容器の上部開口を閉鎖するように配置される円形状の誘電体窓と、
前記誘電体窓の上方側に配置され、中心側に位置する第一領域において周方向に略等間隔に配列するように設けられた第一スロットと、周縁側に位置する第二領域において周方向に略等間隔に配列するように設けられた第二スロットとを有する円板状のスロットアンテナ板と、
前記スロットアンテナ板の上方側に配置され、マイクロ波を径方向に伝搬させる誘電体部材と、
前記スロットアンテナ板にマイクロ波を導入する導波部と、を備え、
前記マイクロ波発生装置は、搬送波を変調することによって所定の周波数帯域幅を有するマイクロ波を生成する変調装置を有する、プラズマ処理装置。
【請求項２】
前記変調装置は、前記搬送波を周波数変調することよって所定の周波数帯域幅を有するマイクロ波を生成する、請求項１に記載のプラズマ処理装置。
【請求項３】
前記変調装置は、前記搬送波を位相変調することによって所定の周波数帯域幅を有するマイクロ波を生成する、請求項１または２に記載のプラズマ処理装置。
【請求項４】
前記変調装置は、
前記搬送波を生成する搬送波発振器と、
前記搬送波を変調するための変調波を生成する変調波発振器と、
前記搬送波を前記変調波によって変調する変調器と、
前記所定の周波数帯域より低い周波数成分、および、前記所定の周波数帯域より高い周波数成分の少なくともいずれか一方を遮断するフィルターと、
マイクロ波を前記導波部に送信する送信器と、を有する、請求項１〜３のいずれかに記載のプラズマ処理装置。
【請求項５】
前記マイクロ波発生装置により生成されたマイクロ波は、前記所定の周波数帯域に亘って一定の振幅の周波数成分を有するように制御される、請求項１〜４のいずれかに記載のプラズマ処理装置。
【請求項６】
マイクロ波の周波数帯域幅は、２．３５ＧＨｚ〜２．５５ＧＨｚの範囲内に設定される、請求項１〜５のいずれかに記載のプラズマ処理装置。
【請求項７】
内部においてプラズマ処理が行われる処理容器内にプロセスガスを供給する工程と、
搬送波を変調することによって所定の周波数帯域幅を有するマイクロ波を生成する工程と、
生成されたマイクロ波によって処理容器内にプラズマを励起する工程と、
前記処理容器内において被処理基板をプラズマ処理する工程と、を備える、プラズマ処理方法。
【請求項８】
前記マイクロ波を生成する工程は、搬送波を周波数変調することによって所定の周波数帯域幅を有するマイクロ波を生成する工程である、請求項７に記載のプラズマ処理方法。
【請求項９】
前記マイクロ波を生成する工程は、搬送波を位相変調することによって所定の周波数帯域幅を有するマイクロ波を生成する工程である、請求項７に記載のプラズマ処理方法。
【請求項１】
マイクロ波を発生させるマイクロ波発生装置と、
内部においてプラズマ処理を行う上部開口の処理容器と、
前記処理容器の上部開口を閉鎖するように配置される円形状の誘電体窓と、
前記誘電体窓の上方側に配置され、中心側に位置する第一領域において周方向に略等間隔に配列するように設けられた第一スロットと、周縁側に位置する第二領域において周方向に略等間隔に配列するように設けられた第二スロットとを有する円板状のスロットアンテナ板と、
前記スロットアンテナ板の上方側に配置され、マイクロ波を径方向に伝搬させる誘電体部材と、
前記スロットアンテナ板にマイクロ波を導入する導波部と、を備え、
前記マイクロ波発生装置は、搬送波を変調することによって所定の周波数帯域幅を有するマイクロ波を生成する変調装置を有する、プラズマ処理装置。
【請求項２】
前記変調装置は、前記搬送波を周波数変調することよって所定の周波数帯域幅を有するマイクロ波を生成する、請求項１に記載のプラズマ処理装置。
【請求項３】
前記変調装置は、前記搬送波を位相変調することによって所定の周波数帯域幅を有するマイクロ波を生成する、請求項１または２に記載のプラズマ処理装置。
【請求項４】
前記変調装置は、
前記搬送波を生成する搬送波発振器と、
前記搬送波を変調するための変調波を生成する変調波発振器と、
前記搬送波を前記変調波によって変調する変調器と、
前記所定の周波数帯域より低い周波数成分、および、前記所定の周波数帯域より高い周波数成分の少なくともいずれか一方を遮断するフィルターと、
マイクロ波を前記導波部に送信する送信器と、を有する、請求項１〜３のいずれかに記載のプラズマ処理装置。
【請求項５】
前記マイクロ波発生装置により生成されたマイクロ波は、前記所定の周波数帯域に亘って一定の振幅の周波数成分を有するように制御される、請求項１〜４のいずれかに記載のプラズマ処理装置。
【請求項６】
マイクロ波の周波数帯域幅は、２．３５ＧＨｚ〜２．５５ＧＨｚの範囲内に設定される、請求項１〜５のいずれかに記載のプラズマ処理装置。
【請求項７】
内部においてプラズマ処理が行われる処理容器内にプロセスガスを供給する工程と、
搬送波を変調することによって所定の周波数帯域幅を有するマイクロ波を生成する工程と、
生成されたマイクロ波によって処理容器内にプラズマを励起する工程と、
前記処理容器内において被処理基板をプラズマ処理する工程と、を備える、プラズマ処理方法。
【請求項８】
前記マイクロ波を生成する工程は、搬送波を周波数変調することによって所定の周波数帯域幅を有するマイクロ波を生成する工程である、請求項７に記載のプラズマ処理方法。
【請求項９】
前記マイクロ波を生成する工程は、搬送波を位相変調することによって所定の周波数帯域幅を有するマイクロ波を生成する工程である、請求項７に記載のプラズマ処理方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図８】
【図１０】
【図１２】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図７】
【図９】
【図１１】
【図１３】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図８】
【図１０】
【図１２】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図７】
【図９】
【図１１】
【図１３】
【公開番号】特開２０１２−１０９０８０（Ｐ２０１２−１０９０８０Ａ）
【公開日】平成２４年６月７日（２０１２．６．７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２５５９６１（Ｐ２０１０−２５５９６１）
【出願日】平成２２年１１月１６日（２０１０．１１．１６）
【出願人】（０００２１９９６７）東京エレクトロン株式会社 (5,184)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年６月７日（２０１２．６．７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１１月１６日（２０１０．１１．１６）
【出願人】（０００２１９９６７）東京エレクトロン株式会社 (5,184)
【Ｆターム（参考）】
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