平面アンテナ部材およびこれを備えたプラズマ処理装置
【課題】従来のマイクロ波の周波数よりも低い周波数のマイクロ波を処理容器内に効率良く導入できる平面アンテナを提供する。
【解決手段】平面アンテナ板３１は、同心円状に第１のスロット３２ａおよび第２のスロット３２ｂを有し、中心ＯＡから第１のスロット３２ａの中心Ｏ３２ａまでの距離と、平面アンテナ板３１の半径ｒとの比を０．３５〜０．５とし、かつ中心ＯＡから第２のスロット３２ｂの中心Ｏ３２ｂまでの距離と、半径ｒとの比を０．７〜０．８５とした。また、中心ＯＡと中心Ｏ３２ａとを結ぶ直線に対して、第１のスロット３２ａの長手方向は９０°〜１０５°の角度であり、かつ、中心ＯＡと中心Ｏ３２ｂとを結ぶ直線に対して、第２のスロット３２ｂの長手方向は７５°〜８５°の角度である。さらに、平面アンテナ板３１におけるスロットの開口面積比率は１５〜２０％の範囲内である。
【解決手段】平面アンテナ板３１は、同心円状に第１のスロット３２ａおよび第２のスロット３２ｂを有し、中心ＯＡから第１のスロット３２ａの中心Ｏ３２ａまでの距離と、平面アンテナ板３１の半径ｒとの比を０．３５〜０．５とし、かつ中心ＯＡから第２のスロット３２ｂの中心Ｏ３２ｂまでの距離と、半径ｒとの比を０．７〜０．８５とした。また、中心ＯＡと中心Ｏ３２ａとを結ぶ直線に対して、第１のスロット３２ａの長手方向は９０°〜１０５°の角度であり、かつ、中心ＯＡと中心Ｏ３２ｂとを結ぶ直線に対して、第２のスロット３２ｂの長手方向は７５°〜８５°の角度である。さらに、平面アンテナ板３１におけるスロットの開口面積比率は１５〜２０％の範囲内である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被処理体をプラズマ処理する処理容器へ所定周波数のマイクロ波を導くために用いられる平面アンテナ部材およびこの平面アンテナ部材を備えたプラズマ処理装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体ウエハなどの被処理体に対し、酸化処理や窒化処理などのプラズマ処理を行うプラズマ処理装置として、複数のスロットを有する平面アンテナを用いて処理容器内に周波数２．４５ＧＨｚのマイクロ波を導入してプラズマを生成させる方式のプラズマ処理装置が知られている（例えば、特許文献１、特許文献２）。また、平面アンテナの改良に関して、マイクロ波放射孔から放射される電界を平面アンテナの周方向で回転させてプラズマ密度を均一化させるため、同心円状に設けられたスロット対のうち、最内周のスロット対の数を８組以内とする提案がなされている（特許文献３）。このようなマイクロ波プラズマ処理装置では、高いプラズマ密度を持つプラズマを生成させることにより、処理容器内で表面波プラズマを形成することが可能である。
【０００３】
上記の平面アンテナ方式のプラズマ処理装置では、処理容器内の圧力を例えば６６７Ｐａ以上まで高くしていくとプラズマ密度が低下する傾向がある。プラズマ密度が低くなると、２．４５ＧＨｚのマイクロ波の角周波数よりもプラズマの角周波数の方が小さくなってしまい、表面波プラズマを安定的に維持することができなくなってしまう。例えば、処理容器内圧力が１３３．３Ｐａ以上の条件でプラズマ処理を行う場合、プラズマ密度が十分に上昇せず、表面波プラズマがカットオフして表面波プラズマではない通常のバルクプラズマになってしまう場合がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平１１−２６０５９４号公報
【特許文献２】特開２００１−２２３１７１号公報
【特許文献３】特開２００７−３１１６６８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
次世代以降のデバイス開発に向けて、例えば３次元デバイス加工や微細化への対応を図るためには、精密な処理が可能な比較的高い圧力条件で処理レートの向上やウエハ面内における処理の均一性を実現していく必要がある。そのためには、プラズマの制御性を向上させ、プラズマ密度が低くなる比較的高い圧力条件でも、表面波プラズマを安定的に維持できるようにする必要がある。表面波プラズマを安定的に維持できるようにするための一つの方策として、マイクロ波の周波数を下げることが考えられる。例えば、２．４５ＧＨｚよりも低い周波数のマイクロ波を用いることにより、比較的高い圧力条件でも安定的に表面波プラズマを維持できる。つまり、プラズマ処理条件のマージンが広がり、広範囲の条件で安定してプラズマを生成することができる。
【０００６】
しかし、マイクロ波を効率よく処理容器内に導くための平面アンテナの構造は、マイクロ波の周波数により異なる。平面アンテナの形状が、マイクロ波の周波数と適合していないと、反射波が生じて処理容器内への放射効率が低下し、プラズマが不安定になるとともに、導波管が発熱し、長時間のプロセスを行うことができなくなる。従来技術の平面アンテナは、周波数２．４５ＧＨｚのマイクロ波を処理容器内に導入する目的に適したものであり、従来のマイクロ波の周波数よりも低い例えば１ＧＨｚ程度の周波数のマイクロ波に適した平面アンテナに関する構造面の検討は、十分になされていない。そもそも、１ＧＨｚ以下の比較的低い周波数のマイクロ波を使用するプラズマ処理装置には、平面アンテナ自体が使用されてこなかった。
【０００７】
一般に、マイクロ波の周波数を下げるとその波長が長くなることから、２．４５ＧＨｚの周波数のマイクロ波を導く場合に比べて、１ＧＨｚ程度の周波数のマイクロ波を導く場合には、平面アンテナのスロットの長さやスロットの間隔を大きくすることが考えられる。しかし、理論的に計算されたスロットの長さや配置に基づいて作製された平面アンテナを用いてプラズマ形成を行っても、安定的に表面波プラズマを形成できるとは限らない。例えば近年では３００ｍｍウエハの処理に対応できるようにプラズマ処理装置が大型化しており、さらに、４５０ｍｍウエハへの対応も要求されるようになってきている。これに伴い平面アンテナも大径化しつつある。３００ｍｍウエハを処理するための平面アンテナは、直径が５００ｍｍ近くにも達する。４５０ｍｍウエハの場合には、平面アンテナがさらに大型化して直径が６００〜７００ｍｍ程度にも達する。このように大型の平面アンテナでは、スロットの長さや配置を計算上得られる最適値に設定しても、安定的に表面波プラズマを維持することは困難となる。
【０００８】
本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、その第１の目的は、従来のマイクロ波の周波数よりも低い周波数のマイクロ波を処理容器内に効率良く導入できる平面アンテナを提供することである。また、本発明の第２の目的は、従来のマイクロ波の周波数よりも低い周波数のマイクロ波を用い、かつ大型の基板を処理する場合でも、プラズマの制御性が高く、処理容器内で安定的に表面波プラズマを形成することができるプラズマ処理装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明に係る平面アンテナ部材は、プラズマ処理装置の処理容器内にマイクロ波発生源で発生したマイクロ波を導入する平面アンテナ部材である。この平面アンテナ部材は、導電性材料からなる平板状基材と、前記平板状基材に形成された、マイクロ波を放射する複数の細長形状の貫通開口と、を備え、前記貫通開口は、前記平面アンテナ部材の中心にその中心が重なる円周上に配列された複数の第１の貫通開口と、前記第１の貫通開口の外側に同心円状に配列された複数の第２の貫通開口と、を含んでいる。そして、前記平面アンテナ部材の中心から前記第１の貫通開口の中心までの距離Ｌ１と、前記平面アンテナ部材の半径ｒとの比Ｌ１／ｒが０．３５〜０．５の範囲内であり、かつ、前記平面アンテナ部材の中心から前記第２の貫通開口の中心までの距離Ｌ２と、前記平面アンテナ部材の半径ｒと比Ｌ２／ｒが０．７〜０．８５の範囲内である。また、前記平面アンテナ部材の中心と前記第１の貫通開口の中心とを結ぶ直線に対して、該第１の貫通開口の長手方向がなす角度が９０°〜１０５°の範囲内であり、かつ、前記平面アンテナ部材の中心と前記第２の貫通開口の中心とを結ぶ直線に対して、該第２の貫通開口の長手方向がなす角度が７５°〜８５°の範囲内である。さらに、前記平面アンテナ部材の面内における前記第１の貫通開口および前記第２の貫通開口の合計の開口面積の比率が１５〜２０％の範囲内である。
【００１０】
本発明に係る平面アンテナ部材において、前記距離Ｌ１を半径とし、前記第１の貫通開口の中心を結ぶ第１の円および前記距離Ｌ２を半径とし、前記第２の貫通開口の中心を結ぶ第２の円に対して同心円状に形成され、前記第１の円と前記第２の円との径方向の中間点を結ぶ第３の円は、その半径Ｌ３と前記半径ｒとの比Ｌ３／ｒが、０．５〜０．７の範囲内である。
【００１１】
本発明に係る平面アンテナ部材において、前記距離Ｌ２と前記距離Ｌ１との差分（Ｌ２−Ｌ１）と、前記平面アンテナ部材の半径ｒとの比（Ｌ２−Ｌ１）／ｒが０．２〜０．５の範囲内である。
【００１２】
また、本発明に係る平面アンテナ部材において、前記第１の貫通開口の長手方向に対して、前記第２の貫通開口の長手方向のなす角度が８５°〜９５°の範囲内である。
【００１３】
また、本発明に係る平面アンテナ部材において、前記平面アンテナ部材の中心から前記第１の貫通開口の中心までを結ぶ直線と、前記平面アンテナ部材の中心から前記第２の貫通開口の中心までを結ぶ直線とのなす角度が、６０°〜８０°の範囲内である。
【００１４】
また、本発明に係る平面アンテナ部材において、前記マイクロ波発生源で発生したマイクロ波の周波数が、８００〜１０００ＭＨｚの範囲内である。
【００１５】
本発明に係るプラズマ処理装置は、被処理体を収容する真空引き可能な処理容器と、前記処理容器内にガスを導入するガス導入部と、前記処理容器内を減圧排気する排気装置と、前記処理容器の上部の開口に気密に装着され、プラズマ発生用のマイクロ波を透過させる透過板と、前記透過板の上に配置され、前記マイクロ波を前記処理容器内に導入する平面アンテナ部材と、前記平面アンテナ部材を上方から覆うカバー部材と、前記カバー部材を貫通して設けられ、マイクロ波発生源で発生した８００〜１０００ＭＨｚの範囲内のマイクロ波を前記平面アンテナ部材へ供給する導波管と、を備えている。このプラズマ処理装置において、前記平面アンテナ部材は、導電性材料からなる平板状基材と、前記平板状基材に形成された、マイクロ波を放射する複数の細長形状の貫通開口と、を備え、前記貫通開口は、環状に配列された複数の第１の貫通開口と、前記第１の貫通開口の外側に同心円状に配列された複数の第２の貫通開口と、を含んでいる。そして、前記平面アンテナ部材の中心から前記第１の貫通開口の中心までの距離Ｌ１と、前記平面アンテナ部材の半径ｒとの比Ｌ１／ｒが０．３５〜０．５の範囲内であり、かつ、前記平面アンテナ部材の中心から前記第２の貫通開口の中心までの距離Ｌ２と、前記平面アンテナ部材の半径ｒと比Ｌ２／ｒが０．７〜０．８５の範囲内である。また、前記平面アンテナ部材の中心と前記第１の貫通開口の中心とを結ぶ直線に対して、該第１の貫通開口の長手方向がなす角度が９０°〜１０５°の範囲内であり、かつ、前記平面アンテナ部材の中心と前記第２の貫通開口の中心とを結ぶ直線に対して、該第２の貫通開口の長手方向がなす角度が７５°〜８５°の範囲内である。さらに、前記平面アンテナ部材の面内における前記第１の貫通開口および前記第２の貫通開口の合計の開口面積の比率が１５〜２０％の範囲内である。
【００１６】
本発明に係るプラズマ処理装置において、前記距離Ｌ１を半径とし、前記第１の貫通開口の中心を結ぶ第１の円および前記距離Ｌ２を半径とし、前記第２の貫通開口の中心を結ぶ第２の円に対して同心円状に形成され、前記第１の円と前記第２の円との径方向の中間点を結ぶ第３の円は、その半径Ｌ３と前記半径ｒとの比Ｌ３／ｒが０．５〜０．７の範囲内である。
【００１７】
また、本発明に係るプラズマ処理装置において、前記距離Ｌ２と前記距離Ｌ１との差分（Ｌ２−Ｌ１）と、前記平面アンテナ部材の半径ｒと比（Ｌ２−Ｌ１）／ｒが０．２〜０．５の範囲内である。
【００１８】
また、本発明に係るプラズマ処理装置において、前記第１の貫通開口の長手方向に対して、前記第２の貫通開口の長手方向のなす角度が８５°〜９５°の範囲内である。
【００１９】
また、本発明に係るプラズマ処理装置において、前記平面アンテナ部材の中心から前記第１の貫通開口の中心までを結ぶ直線と、前記平面アンテナ部材の中心から前記第２の貫通開口の中心までを結ぶ直線とのなす角度が、６０°〜８０°の範囲内である。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、平面アンテナ部材の中心から第１の貫通開口の中心までの距離Ｌ１と平面アンテナ部材の半径ｒとの比Ｌ１／ｒを０．３５〜０．５の範囲内とし、かつ平面アンテナ部材の中心から第２の貫通開口の中心までの距離Ｌ２と平面アンテナ部材の半径ｒと比Ｌ２／ｒを０．７〜０．８５の範囲内とするとともに、平面アンテナ部材の中心と第１の貫通開口の中心とを結ぶ直線に対して、該第１の貫通開口の長手方向がなす角度を９０°〜１０５°の範囲内とし、かつ、平面アンテナ部材の中心と前記第２の貫通開口の中心とを結ぶ直線に対して、該第２の貫通開口の長手方向がなす角度を７５°〜８５°の範囲内とし、さらに平面アンテナ部材の面内における前記第１の貫通開口および前記第２の貫通開口の合計の開口面積の比率を１５〜２０％の範囲内とすることによって、マイクロ波発生装置で発生させるマイクロ波の周波数を、従来のマイクロ波の周波数より低い８００ＭＨｚ〜１０００ＭＨｚにした場合でも、反射波の発生を抑え、処理容器内へ効率良くマイクロ波を導入できる。従って、処理容器内で表面波プラズマを安定的に維持することができるとともに、基板の大型化への対応も可能になる、という効果を奏する。
【００２１】
また、上記平面アンテナ部材を備えた本発明に係るプラズマ処理装置は、マイクロ波発生源で発生させるマイクロ波の周波数を、従来のマイクロ波の周波数より低い８００ＭＨｚ〜１０００ＭＨｚの範囲内に設定したので、例えば２．４５ＧＨｚのマイクロ波を使用する場合に比べて、プラズマ処理条件のマージンが広がり、高い圧力範囲までカットオフ密度以上のプラズマ密度を維持することができる。従って、本発明のプラズマ処理装置によれば、比較的高い圧力条件でも十分な処理レートやウエハ面内における処理の均一性を確保することが可能であり、高い精度が必要な３次元デバイスの加工や微細加工への対応も図ることができる、という効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の実施の形態に係るプラズマ処理装置の一例を示す概略断面図である。
【図２】平面アンテナ板の平面図である。
【図３】図２の要部を拡大して示す図面である。
【図４】図１のプラズマ処理装置の制御系統の概略構成を示すブロック図である。
【図５】プラズマのカットオフ密度の圧力依存モデルを説明する図面である。
【図６】比較例のアンテナＢのスロット形状と配置を示す図面である。
【図７】比較例のアンテナＣのスロット形状と配置を示す図面である。
【図８】比較例のアンテナＤのスロット形状と配置を示す図面である。
【図９】比較例のアンテナＥのスロット形状と配置を示す図面である。
【図１０】プラズマの電子温度および電子密度とマイクロ波パワーとの関係を示すグラフ図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。図１は、本発明の実施の形態に係るプラズマ処理装置１００の概略構成を模式的に示す断面図である。また、図２は、図１のプラズマ処理装置１００に用いられる本発明の実施の形態に係る平面アンテナを示す要部平面図であり、図３は、該平面アンテナにおける貫通開口としてのスロットの拡大図である。さらに、図４は、図１のプラズマ処理装置１００における制御系統の概略構成例を示す図面である。
【００２４】
プラズマ処理装置１００は、複数のスロット状の孔を有する平面アンテナ、特にＲＬＳＡ（Ｒａｄｉａｌ Ｌｉｎｅ Ｓｌｏｔ Ａｎｔｅｎｎａ；ラジアルラインスロットアンテナ）にて処理容器内にマイクロ波を導入してプラズマを発生させることにより、高密度かつ低電子温度のプラズマを発生させ得るプラズマ処理装置として構成されている。プラズマ処理装置１００では、１０９／ｃｍ３〜１０１３／ｃｍ３のプラズマ密度で、かつ２ｅＶ以下の低電子温度を有するプラズマによる処理が可能である。従って、プラズマ処理装置１００は、各種半導体装置の製造過程において好適に利用できるものである。
【００２５】
プラズマ処理装置１００は、主要な構成として、気密に構成された処理容器１と、処理容器１内にガスを導入するガス導入部１５と、処理容器１内を減圧排気するための排気装置としての排気装置２４と、処理容器１の上部に設けられ、処理容器１内にマイクロ波を導入するマイクロ波導入機構２７と、これらプラズマ処理装置１００の各構成部を制御する制御手段としての制御部５０と、を備えている。なお、ガス供給装置１８、排気装置２４およびマイクロ波導入機構２７は、処理容器１内で処理ガスのプラズマを生成させるプラズマ生成手段を構成している。
【００２６】
処理容器１は、接地された略円筒状の容器により形成されている。なお、処理容器１は角筒形状の容器により形成してもよい。処理容器１は、アルミニウム等の材質からなる底壁１ａと側壁１ｂとを有している。
【００２７】
処理容器１の内部は、被処理体であるシリコンウエハ（以下、単に「ウエハ」と記す）Ｗを水平に支持するための載置台２が設けられている。載置台２は、熱伝導性の高い材質例えばＡｌＮ等のセラミックスにより構成されている。この載置台２は、排気室１１の底部中央から上方に延びる円筒状の支持部材３により支持されている。支持部材３は、例えばＡｌＮ等のセラミックスにより構成されている。
【００２８】
また、載置台２には、その外縁部をカバーし、ウエハＷをガイドするためのカバーリング４が設けられている。このカバーリング４は、例えば石英、ＡｌＮ、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＮ等の材質で構成された環状部材である。
【００２９】
また、載置台２には、温度調節機構としての抵抗加熱型のヒータ５が埋め込まれている。このヒータ５は、ヒータ電源５ａから給電されることにより載置台２を加熱して、その熱で被処理基板であるウエハＷを均一に加熱する。
【００３０】
また、載置台２には、熱電対（ＴＣ）６が配備されている。この熱電対６によって温度計測を行うことにより、ウエハＷの加熱温度を例えば室温から９００℃までの範囲で制御可能となっている。
【００３１】
また、載置台２には、ウエハＷを支持して昇降させるためのウエハ支持ピン（図示せず）が設けられている。各ウエハ支持ピンは、載置台２の表面に対して突没可能に設けられている。
【００３２】
処理容器１の内周には、石英からなる円筒状のライナー７が設けられている。また、載置台２の外周側には、処理容器１内を均一排気するため、多数の排気孔８ａを有する石英製のバッフルプレート８が環状に設けられている。このバッフルプレート８は、複数の支柱９により支持されている。なお、プラズマ処理装置１００をプラズマＣＶＤ装置として使用する場合には、ライナー７およびバッフルプレート８は配備しなくてもよい。
【００３３】
処理容器１の底壁１ａの略中央部には、円形の排気口１０が形成されている。底壁１ａにはこの排気口１０と連通し、下方に向けて突出する排気室１１が設けられている。この排気室１１には、排気管１２が接続されており、この排気管１２を介して排気装置２４に接続されている。
【００３４】
処理容器１の上端には、処理容器１を開閉させるリッドとしての環状のプレート１３が配置されている。プレート１３の内周部は、内側（処理容器内空間）へ向けて突出し、透過板２８を支持する環状の支持部１３ａを形成している。このプレート１３と処理容器１との間は、シール部材１４を介して気密にシールされている。
【００３５】
処理容器１の側壁１ｂには、環状をなすガス導入部１５が設けられている。このガス導入部１５は、配管を介して酸素含有ガスやプラズマ励起用ガスを供給するガス供給装置１８に接続されている。なお、ガス導入部１５は、処理容器１内に突出するノズル状、または複数のガス孔を有するシャワー状に設けてもよい。
【００３６】
ガス供給装置１８は、例えば、プラズマ形成用のＡｒ、Ｋｒ、Ｘｅ、Ｈｅ等の希ガスや、酸化処理における酸素ガス等の酸化性ガス、窒化処理における窒化ガスなどの処理ガス等を供給するガス供給源（図示せず）を有している。また、ＣＶＤ処理の場合には、原料ガス、処理容器内雰囲気を置換する際に用いるＮ２、Ａｒ等のパージガス、処理容器１内をクリーニングする際に用いるＣｌＦ３、ＮＦ３等のクリーニングガス等を供給するガス供給源を設けることもできる。各ガス供給源は、図示しないマスフローコントローラおよび開閉バルブを備え、供給されるガスの切替えや流量等の制御が出来るようになっている。
【００３７】
また、処理容器１の側壁１ｂには、プラズマ処理装置１００と、これに隣接する搬送室（図示せず）との間でウエハＷの搬入出を行うための搬入出口１６と、この搬入出口１６を開閉するゲートバルブ１７とが設けられている。
【００３８】
排気装置２４は、例えばターボ分子ポンプなどの高速真空ポンプを備えている。前記のように、排気装置２４は、排気管１２を介して処理容器１の排気室１１に接続されている。排気装置２４を作動させることにより、処理容器１内のガスは、排気室１１の空間１１ａ内へ均一に流れ、さらに空間１１ａから排気管１２を介して外部へ排気される。これにより、処理容器１内を例えば０．１３３Ｐａまで高速に減圧することが可能となっている。
【００３９】
次に、マイクロ波導入機構２７の構成について説明する。マイクロ波導入機構２７は、主要な構成として、透過板２８、平面アンテナ板３１、遅波板３３、カバー部材３４、導波管３７、マッチング回路３８およびマイクロ波発生装置３９を備えている。
【００４０】
マイクロ波を透過させる透過板２８は、プレート１３において内周側に張り出した支持部１３ａ上に配備されている。透過板２８は、誘電体、例えば石英やＡｌ２Ｏ３、ＡｌＮ等のセラミックスから構成されている。この透過板２８と支持部１３ａとの間は、シール部材２９を介して気密にシールされている。したがって、処理容器１内は気密に保持される。
【００４１】
平面アンテナ板３１は、透過板２８の上方において、載置台２と対向するように設けられている。平面アンテナ板３１は、円板状をなしている。なお、平面アンテナ板３１の形状は、円板状に限らず、例えば四角板状でもよい。この平面アンテナ板３１は、プレート１３の上端に係止されている。
【００４２】
平面アンテナ板３１は、例えば図２および図３にも示したように、円板状の基材３１ａと、この基材３１ａにおいて所定のパターンで貫通して形成された多数のスロット３２（３２ａ，３２ｂ）とを有している。基材３１ａは、例えば表面が金または銀メッキされた銅板、アルミニウム板、またはニッケル板等の導体板により構成されている。マイクロ波放射孔として機能する個々のスロット３２は、細長い形状をなしている。スロット３２の角部に電界が集中し、異常放電を引き起こしやすくなるため、細長のスロット３２の両端の角部は、丸みを帯びた形状に加工されている。また、スロット３２は、平面アンテナ板３１の中心ＯＡ側の位置に、中心ＯＡと重なる中心を持つ円周上に周方向に配列された複数の第１のスロット３２ａと、これら第１のスロット３２ａを囲むように外側に配列された複数の第２のスロット３２ｂとを含んでいる。内側の第１のスロット３２ａと外側の第２のスロット３２ｂとは同心円状に配列されている。平面アンテナ板３１におけるスロット３２の配置については、後で詳述する。
【００４３】
平面アンテナ板３１の上には、真空よりも大きい誘電率を有する材料からなる遅波板３３が設けられている。遅波板３３は平面アンテナ板３１を覆うように配置されている。遅波板３３の材料としては、例えば、石英、ポリテトラフルオロエチレン樹脂、ポリイミド樹脂などを挙げることができる。この遅波板３３は、真空中ではマイクロ波の波長が長くなることから、マイクロ波の波長を短くしてプラズマを調整する機能を有している。
【００４４】
なお、平面アンテナ板３１と透過板２８との間、また、遅波板３３と平面アンテナ板３１との間は、それぞれ接触させても離間させてもよいが、定在波の発生を抑制する観点からは、接触させることが好ましい。
【００４５】
処理容器１の上部には、これら平面アンテナ板３１および遅波板３３を覆うように、導波路を形成する機能も有するカバー部材３４が設けられている。カバー部材３４は、例えばアルミニウムやステンレス鋼、銅等の金属材料によって形成されている。プレート１３の上端とカバー部材３４とは、マイクロ波が外部へ漏えいしないように導電性を有するスパイラルシールドリングなどのシール部材３５によりシールされている。また、カバー部材３４には、冷却水流路３４ａが形成されている。この冷却水流路３４ａに冷却水を通流させることにより、カバー部材３４、遅波板３３、平面アンテナ板３１および透過板２８を冷却できるようになっている。この冷却機構により、カバー部材３４、遅波板３３、平面アンテナ板３１、透過板２８およびプレート１３がプラズマの熱により変形・破損することが防止される。なお、プレート１３、平面アンテナ板３１およびカバー部材３４は接地されている。
【００４６】
カバー部材３４の上壁（天井部）の中央には、開口部３６が形成されており、この開口部３６には導波管３７の下端が接続されている。導波管３７の他端側には、マッチング回路３８を介してマイクロ波を発生するマイクロ波発生装置３９が接続されている。マイクロ波発生装置３９で発生させるマイクロ波の周波数としては、後述する理由により、従来のマイクロ波の周波数より低い周波数例えば８００ＭＨｚ〜１０００ＭＨｚの範囲内が好ましく用いられ、特に９１５ＭＨｚが好ましい。
【００４７】
導波管３７は、上記カバー部材３４の開口部３６から上方へ延出する断面円形状の同軸導波管３７ａと、この同軸導波管３７ａの上端部にモード変換器４０を介して接続された水平方向に延びる矩形導波管３７ｂとを有している。モード変換器４０は、矩形導波管３７ｂ内をＴＥモードで伝播するマイクロ波をＴＥＭモードに変換する機能を有している。
【００４８】
同軸導波管３７ａの中心には内導体４１が延在している。この内導体４１は、その下端部において平面アンテナ板３１の中心に接続固定されている。このような構造により、マイクロ波は、同軸導波管３７ａの内導体４１を介して平面アンテナ板３１へ放射状に効率よく均一に伝播される。
【００４９】
以上のような構成のマイクロ波導入機構２７により、マイクロ波発生装置３９で発生したマイクロ波が導波管３７を介して平面アンテナ板３１へ伝搬され、さらに透過板２８を介して処理容器１内に導入されるようになっている。
【００５０】
プラズマ処理装置１００の各構成部は、制御部５０に接続されて制御される構成となっている。制御部５０は、図４に示したように、ＣＰＵを備えたプロセスコントローラ５１と、このプロセスコントローラ５１に接続されたユーザーインターフェース５２および記憶部５３を備えている。プロセスコントローラ５１は、プラズマ処理装置１００において、例えば温度、ガス流量、圧力、マイクロ波出力などのプロセス条件に関係する各構成部（例えば、ヒータ電源５ａ、ガス供給装置１８、排気装置２４、マイクロ波発生装置３９など）を統括して制御する制御手段である。
【００５１】
ユーザーインターフェース５２は、工程管理者がプラズマ処理装置１００を管理するためにコマンドの入力操作等を行うキーボードや、プラズマ処理装置１００の稼働状況を可視化して表示するディスプレイ等を有している。また、記憶部５３には、プラズマ処理装置１００で実行される各種処理をプロセスコントローラ５１の制御にて実現するための制御プログラム（ソフトウエア）や処理条件データ等が記録されたレシピが保存されている。
【００５２】
そして、必要に応じて、ユーザーインターフェース５２からの指示等にて任意のレシピを記憶部５３から呼び出してプロセスコントローラ５１に実行させることで、プロセスコントローラ５１の制御下、プラズマ処理装置１００の処理容器１内で所望の処理が行われる。また、前記制御プログラムや処理条件データ等のレシピは、コンピュータ読み取り可能な記憶媒体、例えばＣＤ−ＲＯＭ、ハードディスク、フレキシブルディスク、フラッシュメモリ、ＤＶＤ、ブルーレイディスクなどに格納された状態のものを利用したり、あるいは、他の装置から、例えば専用回線を介して随時伝送させてオンラインで利用したりすることも可能である。
【００５３】
このように構成されたプラズマ処理装置１００では、８００℃以下の低温で下地膜等へのダメージフリーなプラズマ処理を行うことができる。また、プラズマ処理装置１００は、プラズマの均一性に優れていることから、プロセスの均一性を実現できる。
【００５４】
ここで、再び図２および図３を参照しながら、平面アンテナ板３１におけるスロット３２の配置について説明する。プラズマ処理装置１００では、マイクロ波発生装置３９で発生した例えば９１５ＧＨｚのマイクロ波が、同軸導波管３７ａを介して平面アンテナ板３１の中央部に供給され、平面アンテナ板３１とカバー部材３４とによって構成される偏平導波路を放射状に伝搬していく。この途中にスロット３２を配置することにより、スロット３２の開口からマイクロ波を均一に効率良く下方の処理容器１内空間へ向けて放射させることが可能になる。本実施の形態では、例えば６個の第１のスロット３２ａが、平面アンテナ板３１の円周方向に均等に配置されている。第１のスロット３２ａと対をなす第２のスロット３２ｂも、同様に６個が第１のスロット３２ａより外側において平面アンテナ板３１の円周方向に均等に配置されている。図２において、破線で囲む第１のスロット３２ａおよび第２のスロット３２ｂが対をなしている。内周側の第１のスロット３２ａと外周側の第２のスロット３２ｂの個数は、同じでも異なっていてもよいが、個数が異なる場合には不対スロットの存在によって反射波が生成しやすくなることがあるため、同じであることが好ましい。
【００５５】
また、反射波の発生を抑制して処理容器１内へのマイクロ波の導入効率を向上させる目的で、平面アンテナ板３１の中心ＯＡ（基材３１ａの中心に同じ）から第１のスロット３２ａの中心Ｏ３２ａまでの距離Ｌ１と、平面アンテナ板３１の半径ｒとの比Ｌ１／ｒは０．３５〜０．５の範囲内である。この比Ｌ１／ｒが０．３５未満あるいは０．５超では、各スロットからのマイクロ波の反射波が生成され、放射効率が悪くなる。
【００５６】
また、平面アンテナ板３１の中心ＯＡから第２のスロット３２ｂの中心Ｏ３２ｂまでの距離Ｌ２と、平面アンテナ板３１の半径ｒとの比Ｌ２／ｒは０．７〜０．８５の範囲内である。この比Ｌ２／ｒが０．７未満あるいは０．８５超では、各スロットからのマイクロ波の反射波が生成され、放射効率が悪くなる。
【００５７】
距離Ｌ１と半径ｒとの比Ｌ１／ｒおよび距離Ｌ２と半径ｒとの比Ｌ２／ｒは、遅波板３３により調整されたマイクロ波の波長λｇに応じてある程度決定できるが、計算値と現実に有効な範囲とは必ずしも一致しない。本発明者らは、比Ｌ１／ｒおよび比Ｌ２／ｒを上記範囲とすることが、従来のマイクロ波の周波数より低い８００ＭＨｚ〜１０００ＭＨｚの範囲内のマイクロ波を使用して定在波を生成させ、安定したプラズマを生成するために有効であることを見出した。
【００５８】
また、第１のスロット３２ａの中心Ｏ３２ａを平面アンテナ板３１の周方向に結ぶ半径が距離Ｌ１の円をＣ１とし、第２のスロット３２ｂの中心Ｏ３２ｂを平面アンテナ板３１の周方向に結ぶ半径が距離Ｌ２の円をＣ２とし、平面アンテナ板３１の中心ＯＡから、円Ｃ１と円Ｃ２の径方向の中間点Ｍまでの距離Ｌ３を半径とする円をＣ３とした場合、距離Ｌ３と平面アンテナ板３１の半径ｒとの比Ｌ３／ｒが０．５〜０．７の範囲内であることが、マイクロ波の処理容器１内への導入効率を向上させる観点から好ましい。比Ｌ３／ｒを上記範囲内に規定することによって、反射波の発生を抑制し、周波数８００ＭＨｚ〜１０００ＭＨｚの範囲内のマイクロ波を効率良く処理容器１内に供給することができ、安定したプラズマを形成できる。
【００５９】
また、距離Ｌ２と距離Ｌ１との差分（Ｌ２−Ｌ１）と、平面アンテナ板３１の半径ｒと比（Ｌ２−Ｌ１）／ｒは０．２〜０．５の範囲内であることが、処理容器１内への周波数８００ＭＨｚ〜１０００ＭＨｚの範囲内のマイクロ波の導入効率を向上させる観点から好ましい。比（Ｌ２−Ｌ１）／ｒを上記範囲内に規定することによって、反射波の発生を抑制し、マイクロ波を効率良く処理容器１内に供給することができ、安定したプラズマを形成できる。
【００６０】
なお、本発明において、「平面アンテナ板３１の半径ｒ」は、基材３１ａ上で平面アンテナとして有効に機能する円形の領域の半径を意味する。例えば平面アンテナ板３１をプレート１３の上端に螺子等の固定手段で固定した場合には、基材３１ａの周縁部に螺子孔などが形成された係止領域（図示せず。周縁端から３〜２０ｍｍ程度）が必要になる。しかし、固定の目的で設けられたこの係止領域は、アンテナとしての機能を奏さない部分であるため、このような係止領域を含まないように平面アンテナ板３１の半径ｒが規定される。
【００６１】
次に、平面アンテナ板３１におけるスロット３２の配置角度について説明する。同軸導波管３７ａから平面アンテナ板３１の中心に伝搬されたマイクロ波により、導体からなる平面アンテナ板３１の基材３１ａ上には表面電流が生じる。この表面電流は平面アンテナ板３１の径外方向へ向かって放射状に流れるが、途中でスロット３２により遮られるため、スロット３２の開口の縁に電荷が誘起される。このように誘起された電荷はマイクロ波を発生させる。このマイクロ波がスロット３２および透過板２８を介して下方の処理容器１内の空間へ向けて放射される。そのため、スロット３２の長手方向が表面電流の方向（平面アンテナ板３１の径外方向）と一致する場合には、処理容器１内へマイクロ波が放射されにくくなる。
【００６２】
以上のことから、処理容器１内へ効率良くマイクロ波を導入するためには、スロット３２の配置角度も重要な要素となる。本実施の形態では、平面アンテナ板３１の中心ＯＡと第１のスロット３２ａの中心Ｏ３２ａとを結ぶ直線に対して、該第１のスロット３２ａの長手方向がなす角度θ１が９０°〜１０５°の範囲内であることが好ましい。角度θ１を９０°〜１０５°の範囲内に規定することによって、反射波の発生を抑制し、周波数８００ＭＨｚ〜１０００ＭＨｚの範囲内のマイクロ波を効率良く処理容器１内に供給することができ、安定したプラズマを形成できる。この角度θ１が９０°未満では、平面アンテナ板３１の径方向に伝播する波の効率が低下し、１０５°を超えると、平面アンテナ板３１の周方向に伝播する波の効率が低下する。
【００６３】
上記と同様の理由から、平面アンテナ板３１の中心ＯＡと第２のスロット３２ｂの中心Ｏ３２ｂとを結ぶ直線に対して、該第２のスロット３２ｂの長手方向がなす角度θ２が７５°〜８５°の範囲内であることが好ましい。角度θ２を７５°〜８５°の範囲内に規定することによって、反射波の発生を抑制し、周波数８００ＭＨｚ〜１０００ＭＨｚの範囲内のマイクロ波を効率良く処理容器１内に供給することができ、安定したプラズマを形成できる。この角度θ２が７５°未満では平面アンテナ板３１の周方向に伝播する波の効率が低下し、８５°を超えると平面アンテナ板３１の径方向に伝播する波の効率が低下し、マイクロ波の放射効率が低下する。
【００６４】
また、平面アンテナ板３１の中心ＯＡから第１のスロット３２ａの中心Ｏ３２ａまでを結ぶ直線と、平面アンテナ板３１の中心ＯＡから第２のスロット３２ｂの中心Ｏ３２ｂまでを結ぶ直線とがなす角度θ３は、６０°〜８０°の範囲内であることが好ましい。角度θ３を６０°〜８０°の範囲内に規定することによって、対をなす第１のスロット３２ａと第２のスロット３２ｂとの間隔が適正となり、反射波の発生を抑制し、周波数８００ＭＨｚ〜１０００ＭＨｚの範囲内のマイクロ波を効率良く処理容器１内に供給することができる。その結果、安定したプラズマを形成できる。この角度θ３が上記範囲外では、各スロット３２からのマイクロ波の放射効率が低下する。
【００６５】
また、第１のスロット３２ａの長手方向と、第２のスロット３２ｂの長手方向とのなす角度θ４は、直角に近いことが好ましく、例えば８５°〜９５°の範囲内とすることができる。
【００６６】
以上のように、角度θ１、θ２、θ３およびθ４を調整することにより、スロット３２を介して周波数８００ＭＨｚ〜１０００ＭＨｚの範囲内のマイクロ波を高い効率で処理容器１内へ導入することができる。なお、平面アンテナ板３１の中心ＯＡから、互いに隣接する第１のスロット３２ａの中心Ｏ３２ａにそれぞれ延びる２本の直線のなす角度は、第１のスロット３２ａの配設数に応じて例えば均等になるように適宜設定できる。平面アンテナ板３１の中心ＯＡから、互いに隣接する第２のスロット３２ｂの中心Ｏ３２ｂにそれぞれ延びる２本の直線のなす角度についても同様である。
【００６７】
また、図３に示したように、第１のスロット３２ａの長さと、第２のスロット３２ｂの長さは、共に同じである（スロット長Ｌ４）。さらに、第１のスロット３２ａの幅と、第２のスロット３２ｂの幅は、共に同じである（スロット幅Ｗ１）。放射効率を高める観点から、スロット長Ｌ４は、例えば８０ｍｍ〜１００ｍｍの範囲内とすることができる。また、スロット幅Ｗ１は、例えば８ｍｍ〜４０ｍｍの範囲内、好ましくは２０ｍｍ〜４０ｍｍの範囲内とすることができる。
【００６８】
また、マイクロ波の反射を抑え、処理容器１内へのマイクロ波の放射効率を高める観点から、平板状の平面アンテナ板３１の上面または下面の面積に対する開口面積（第１のスロット３２ａと第２のスロット３２ｂの開口の面積の総和）の比率は、１５％以上であることが好ましい。上記開口面積の比率が１５％未満である場合、反射波が大きくなりマイクロ波を処理容器１内に効率的に導入できない。また、開口面積の比率に上限はないが、スロット配置により、物理的に限界があるため、１５〜２０％の範囲内であることがより好ましい。なお、この場合、前記の定義に基づいて半径ｒを規定し、平面アンテナ板３１の面積を算出するものとする。
【００６９】
また、遅波板３３の材質が石英である場合の遅波板３３の厚みは、石英の誘電率による波長短縮と石英内での定在波の周期性を考慮して、定在波の波長に設定することが好ましい。
【００７０】
次に、本実施の形態に係るプラズマ処理装置１００を用いたプラズマ処理の手順の一例について説明する。ここでは、処理ガスとして酸素を含有するガスを用い、ウエハ表面をプラズマ酸化処理する場合を例に挙げる。
まず、例えばユーザーインターフェース５２から、プラズマ処理装置１００でプラズマ酸化処理を行うように指令が入力される。この指令を受けて、プロセスコントローラ５１は、記憶部５３に保存されたレシピを読み出す。そして、レシピに基づく条件でプラズマ酸化処理が実行されるように、プロセスコントローラ５１からプラズマ処理装置１００の各エンドデバイス例えばガス供給装置１８、排気装置２４、マイクロ波発生装置３９、ヒータ電源５ａなどへ制御信号が送出される。
【００７１】
そして、ゲートバルブ１７を開にして搬入出口１６からウエハＷを処理容器１内に搬入し、載置台２上に載置する。次に、処理容器１内を減圧排気しながら、ガス供給装置１８から、不活性ガスおよび酸素含有ガスを所定の流量でそれぞれガス導入部１５を介して処理容器１内に導入する。さらに、排気量およびガス供給量を調整して処理容器１内を所定の圧力に調節する。
【００７２】
次に、マイクロ波発生装置３９のパワーをオン（入）にして、マイクロ波を発生させる。そして、従来のマイクロ波の周波数よりも低い周波数例えば９１５ＭＨｚのマイクロ波は、マッチング回路３８を介して導波管３７に導かれる。導波管３７に導かれたマイクロ波は、矩形導波管３７ｂおよび同軸導波管３７ａを順次通過し、内導体４１を介して平面アンテナ板３１に供給される。マイクロ波は、矩形導波管３７ｂ内ではＴＥモードで伝搬し、このＴＥモードのマイクロ波はモード変換器４０でＴＥＭモードに変換されて、同軸導波管３７ａ内を平面アンテナ板３１に向けて伝搬していく。そして、マイクロ波は、平面アンテナ板３１に貫通形成された孔であるスロット３２から透過板２８を介して処理容器１内におけるウエハＷの上方空間に放射される。マイクロ波出力は、マイクロ波を効率良く供給する観点から、平面アンテナ板３１の面積１ｃｍ２あたりのパワー密度として０．４１〜４．１９Ｗ／ｃｍ２の範囲内とすることが好ましい。マイクロ波出力は、例えば５００〜５０００Ｗ程度の範囲内から目的に応じて上記範囲内のパワー密度となるように選択することができる。本発明のアンテナ形状、配置により、マイクロ波を高パワー密度で平面アンテナ板３１に供給し、高効率で処理容器１内に導入でき、安定したプラズマを生成できる。
【００７３】
平面アンテナ板３１から透過板２８を経て処理容器１に放射されたマイクロ波により、処理容器１内で電磁界が形成され、不活性ガスおよび酸素含有ガスがそれぞれプラズマ化する。このマイクロ波により励起されたプラズマは、マイクロ波が平面アンテナ板３１の多数のスロット３２から放射されることにより、１０９／ｃｍ３〜１０１３／ｃｍ３の高密度で、かつウエハＷ近傍では、略１．５ｅＶ以下の低電子温度のプラズマとなる。このようにして形成される高密度プラズマは、下地膜へのイオン等によるプラズマダメージが少ないものである。そして、プラズマ中の活性種例えばラジカルやイオンの作用によりウエハＷのシリコン表面が酸化されてシリコン酸化膜ＳｉＯ２の薄膜が形成される。なお、酸素含有ガスに代えて窒素ガスを用いることにより、シリコンの窒化処理が可能であり、また、成膜原料ガスを用いることによりプラズマＣＶＤ法による成膜を行うことも可能である。
【００７４】
プロセスコントローラ５１からプラズマ処理を終了させる制御信号が送出されると、マイクロ波発生装置３９のパワーがオフ（切）にされ、プラズマ酸化処理が終了する。次に、ガス供給装置１８からの処理ガスの供給を停止して処理容器内を真空引きする。そして、ウエハＷを処理容器１内から搬出し、１枚のウエハＷに対するプラズマ処理が終了する。
【００７５】
プラズマ処理装置１００では、マイクロ波発生装置３９で発生させるマイクロ波の周波数を従来のマイクロ波の周波数より低い８００ＭＨｚ〜１０００ＭＨｚの範囲内（好ましくは９１５ＭＨｚ）に設定した。プラズマ生成用のマイクロ波として、周波数が８００ＭＨｚ〜１０００ＭＨｚの範囲内のものを使用することにより、例えば従来の２．４５ＧＨｚの周波数のマイクロ波を使用する場合に比べて、表面波プラズマがカットオフされるプラズマ密度（カットオフ密度）が低下し、より高い圧力条件まで安定的にプラズマを生成することができる。
【００７６】
図５は、プラズマ処理装置１００で行われるプラズマ処理の処理圧力とプラズマの電子密度との関係を示している。処理圧力が高くなるに伴い、プラズマの電子密度は低下し、カットオフ密度において電子密度は急激に減少する。２．４５ＧＨｚのマイクロ波プラズマのカットオフ密度は約７．５×１０１０ｃｍ−３であり、９１５ＭＨｚのマイクロ波プラズマのカットオフ密度は約１.０×１０１０ｃｍ−３である。そして、図５に示したように、２．４５ＧＨｚのマイクロ波プラズマに比べ、９１５ＭＨｚのマイクロ波プラズマでは、より高い圧力条件までカットオフ密度以上のプラズマ密度を維持することができる。
【００７７】
プラズマ処理装置１００に使用する平面アンテナ板３１では、平面アンテナ板３１の中心ＯＡから内側の第１のスロット３２ａの中心Ｏ３２ａまでの距離Ｌ１と平面アンテナ板３１の半径ｒとの比Ｌ１／ｒを０．３５〜０．５の範囲内とし、かつ、平面アンテナ板３１の中心ＯＡから外側の第２のスロット３２ｂの中心Ｏ３２ｂまでの距離Ｌ２と、平面アンテナ板３１の半径ｒとの比Ｌ２／ｒを０．７〜０．８５の範囲内とした。また、平面アンテナ板３１の中心ＯＡと第１のスロット３２ａの中心Ｏ３２ａとを結ぶ直線に対して、該第１のスロット３２ａの長手方向がなす角度θ１を９０°〜１０５°の範囲内とし、平面アンテナ板３１の中心ＯＡと第２のスロット３２ｂの中心Ｏ３２ｂとを結ぶ直線に対して、該第２のスロット３２ｂの長手方向がなす角度θ２を７５°〜８５°の範囲内とした。さらに、平面アンテナ板３１の面内における第１のスロット３２ａおよび第２のスロット３２ｂの合計の開口面積の比率を１５〜２０％の範囲内とした。以上の構成によって、マイクロ波発生装置３９で発生させるマイクロ波の周波数を８００ＭＨｚ〜１０００ＭＨｚの範囲内に設定した場合でも、反射波の発生を抑え、処理容器１内へ効率良くマイクロ波を導入できる。従って、プラズマのモードジャンプの発生を抑制し、例えば６６７Ｐａ〜１３３３Ｐａの比較的高い圧力でマイクロ波を高パワー密度に供給しても、処理容器１内で表面波プラズマを安定的に維持することができる。
【００７８】
また、本実施の形態の平面アンテナ板３１では、平面アンテナ板３１の中心ＯＡから第１のスロット３２ａの中心Ｏ３２ａまでを結ぶ直線と、平面アンテナ板３１の中心ＯＡから第２のスロット３２ｂの中心Ｏ３２ｂまでを結ぶ直線とがなす角度θ３を６０°〜８０°の範囲内とした。さらに、第１のスロット３２ａの長手方向と、第２のスロット３２ｂの長手方向とのなす角度θ４を略直角例えば８５°〜９５°の範囲内とした。角度θ３およびθ４を上記範囲に規定することにより、スロット３２を介してマイクロ波をさらに高い効率で処理容器１内へ導入することができる。
【００７９】
以上のように、本実施の形態の平面アンテナ板３１では、スロット３２ａ，３２ｂの配置を工夫したことにより、従来のマイクロ波の周波数よりも低い８００ＭＨｚ〜１０００ＭＨｚの範囲内（好ましくは９１５ＭＨｚ）の周波数のマイクロ波を処理容器１内に効率良く導入することができる。よって、例えば６６７Ｐａ〜１３３３Ｐａの比較的高い圧力条件でも、従来の２．４５ＧＨｚのマイクロ波を使用する場合に比べて、マイクロ波を高パワー密度で供給しても、モードジャンプが少なくなり、プラズマ処理装置１００の処理容器１内で表面波プラズマを安定的に維持することができる。そして、このようなプラズマ処理装置１００を用いることによって、比較的高い圧力条件や高パワー密度条件で処理レートの向上やウエハ面内における処理の均一性が実現し、高い精度が必要な３次元デバイス加工や微細加工への対応を図ることが可能になる。
【００８０】
次に、図１に示したプラズマ処理装置１００と同様の構成のプラズマ処理装置を用い、平面アンテナ板３１の構造（スロットパターン）が、処理容器１内へのマイクロ波のパワーの導入効率に与える影響についてシミュレーションにより検証した。
【００８１】
シミュレーション条件は、以下のとおりである。
使用ソフトウエア：ＣＯＭＳＯＬ（商品名；ＣＯＭＳＯＬ社製）
平面アンテナ部材：下記のアンテナＡ〜Ｅとした。
供給パワー：２０００Ｗ
【００８２】
アンテナＡ（本発明例）：
図２に示したものと同様のスロット形状および配置とした。アンテナの半径ｒは２４０．７５ｍｍ、スロット形状は９４．８ｍｍ×３０ｍｍ、Ｌ１は１１２．１ｍｍ、Ｌ２は１９４．１ｍｍ、Ｌ３は１５３.１ｍｍ、θ１は９９．５°、θ２は８０．５°、θ３は７１．１°、θ４は９０°とした。
【００８３】
アンテナＢ（比較例１）：
図６に示したように、スロット３２を内周４個、外周４個の４対（合計８個）とした以外はアンテナＡと同様とした。
【００８４】
アンテナＣ（比較例２）：
図７に示したように、スロット３２を内周１６個、外周１６個の１６対（合計３２個）とした。アンテナの半径ｒは２４０．７５ｍｍ、スロット形状は６２．４ｍｍ×６ｍｍ、Ｌ１は１０５．３ｍｍ、Ｌ２は１８９．３５ｍｍ、Ｌ３は１４７．３３ｍｍ、θ１は３９．４°、θ２は１４０．６°、θ３は１１．２°、θ４は９０°とした。
【００８５】
アンテナＤ（比較例３）：
図８に示したように、スロット３２を内周８個、外周１６個とし、８対と不対スロット８個の合計２４個とした。アンテナの半径ｒは２４０．７５ｍｍ、スロット形状は６２．４ｍｍ×３０ｍｍ、Ｌ１は１０５．３ｍｍ、Ｌ２は１８９．３５ｍｍ、Ｌ３は１４７．３ｍｍ、θ１は３９．４°、θ２は１４０．６°、θ３は１１．２°、θ４は９０°とした。
【００８６】
アンテナＥ（比較例４）：
図９に示したように、スロット３２を内周８個、外周８個（合計１６個）とした以外は、アンテナＤと同様とした。
【００８７】
シミュレーション実験の結果を表１に示した。
【００８８】
【表１】
【００８９】
表１に示したように、アンテナＡは、マイクロ波の吸収パワーが１４９０Ｗ（吸収効率７５％）であったのに対し、平面アンテナ板のスロットの形状や配置角度は同じであるが、スロット数が少なく、開口面積比率が１２．５０％と小さいアンテナＢでは、マイクロ波の吸収パワーが８７Ｗ（吸収効率４．４％）に過ぎなかった。また、スロットの配置角度（θ１〜θ３）が本発明の規定範囲から外れているアンテナＣ〜Ｅでは、マイクロ波の吸収パワーが７０Ｗ以下（吸収効率３．５％以下）とさらに小さくなっており、反射が大きくマイクロ波の導入効率が著しく低かった。特に、アンテナＤでは、開口面積比率は２４．６９％でアンテナＡよりも大きいにもかかわらず、マイクロ波の吸収パワーが２９Ｗ（吸収効率１．４５％）であり最も低かった。これは、アンテナＤのスロットの配置角度（θ１〜θ３）が不適切であったことに加え、不対スロットの存在がマイクロ波の吸収を阻害したためと考えられた。
【００９０】
次に、アンテナＡを配備したプラズマ処理装置１００を用い、マイクロ波パワー変化させてプラズマを生成させ、電子密度（Ｎｅ）と電子温度（Ｔｅ）を計測した。その結果を図１０に示した。
【００９１】
プロセス条件は以下の通りである。
Ａｒガス流量：１０００ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）
プロセス圧力：１３３Ｐａ（１Ｔｏｒｒ）
マイクロ波周波数：９１５ＭＨｚ
マイクロ波出力：５００Ｗ〜１２００Ｗの間を１００Ｗ刻みで変化させた。
【００９２】
図１０より、ほぼ１［ｅＶ］前後の低い電子温度で、２×１０１１／ｃｍ３〜１．４×１０１２／ｃｍ３の高い電子密度のプラズマが得られた。特に、７００Ｗ以上のマイクロ波パワーの範囲では、モードジャンプがなく、表面波プラズマが安定して生成できていることが確認できた。
【００９３】
以上、本発明の実施形態を述べたが、本発明は上記実施形態に制約されることはなく、種々の変形が可能である。例えば、本発明の平面アンテナ板３１を備えたプラズマ処理装置１００は、例えばプラズマ酸化処理装置以外にも、プラズマ窒化処理装置やプラズマＣＶＤ処理装置、プラズマエッチング処理装置、プラズマアッシング処理装置などに適用できる。さらに、本発明の平面アンテナ板３１を備えたプラズマ処理装置１００は、被処理体として半導体ウエハを処理する場合に限らず、例えば液晶ディスプレイ装置や有機ＥＬディスプレイ装置などのフラットパネルディスプレイ装置用の基板を被処理体とするプラズマ処理装置にも適用できる。
【００９４】
また、スロット３２の平面形状は上記実施の形態で示した形状に限定されるものではなく、例えば楕円形、矩形などの形状にすることもできる。
【符号の説明】
【００９５】
１…処理容器、２…載置台、３…支持部材、５…ヒータ、１２…排気管、１５…ガス導入部、１８…ガス供給装置、２４…排気装置、２７…マイクロ波導入機構、２８…透過板、２９…シール部材、３１…平面アンテナ板、３１ａ…基材、３２…スロット、３７…導波管、３７ａ…同軸導波管、３７ｂ…矩形導波管、３９…マイクロ波発生装置、５０…制御部、５１…プロセスコントローラ、５２…ユーザーインターフェース、５３…記憶部、１００…プラズマ処理装置、Ｗ…半導体ウエハ（基板）
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被処理体をプラズマ処理する処理容器へ所定周波数のマイクロ波を導くために用いられる平面アンテナ部材およびこの平面アンテナ部材を備えたプラズマ処理装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体ウエハなどの被処理体に対し、酸化処理や窒化処理などのプラズマ処理を行うプラズマ処理装置として、複数のスロットを有する平面アンテナを用いて処理容器内に周波数２．４５ＧＨｚのマイクロ波を導入してプラズマを生成させる方式のプラズマ処理装置が知られている（例えば、特許文献１、特許文献２）。また、平面アンテナの改良に関して、マイクロ波放射孔から放射される電界を平面アンテナの周方向で回転させてプラズマ密度を均一化させるため、同心円状に設けられたスロット対のうち、最内周のスロット対の数を８組以内とする提案がなされている（特許文献３）。このようなマイクロ波プラズマ処理装置では、高いプラズマ密度を持つプラズマを生成させることにより、処理容器内で表面波プラズマを形成することが可能である。
【０００３】
上記の平面アンテナ方式のプラズマ処理装置では、処理容器内の圧力を例えば６６７Ｐａ以上まで高くしていくとプラズマ密度が低下する傾向がある。プラズマ密度が低くなると、２．４５ＧＨｚのマイクロ波の角周波数よりもプラズマの角周波数の方が小さくなってしまい、表面波プラズマを安定的に維持することができなくなってしまう。例えば、処理容器内圧力が１３３．３Ｐａ以上の条件でプラズマ処理を行う場合、プラズマ密度が十分に上昇せず、表面波プラズマがカットオフして表面波プラズマではない通常のバルクプラズマになってしまう場合がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平１１−２６０５９４号公報
【特許文献２】特開２００１−２２３１７１号公報
【特許文献３】特開２００７−３１１６６８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
次世代以降のデバイス開発に向けて、例えば３次元デバイス加工や微細化への対応を図るためには、精密な処理が可能な比較的高い圧力条件で処理レートの向上やウエハ面内における処理の均一性を実現していく必要がある。そのためには、プラズマの制御性を向上させ、プラズマ密度が低くなる比較的高い圧力条件でも、表面波プラズマを安定的に維持できるようにする必要がある。表面波プラズマを安定的に維持できるようにするための一つの方策として、マイクロ波の周波数を下げることが考えられる。例えば、２．４５ＧＨｚよりも低い周波数のマイクロ波を用いることにより、比較的高い圧力条件でも安定的に表面波プラズマを維持できる。つまり、プラズマ処理条件のマージンが広がり、広範囲の条件で安定してプラズマを生成することができる。
【０００６】
しかし、マイクロ波を効率よく処理容器内に導くための平面アンテナの構造は、マイクロ波の周波数により異なる。平面アンテナの形状が、マイクロ波の周波数と適合していないと、反射波が生じて処理容器内への放射効率が低下し、プラズマが不安定になるとともに、導波管が発熱し、長時間のプロセスを行うことができなくなる。従来技術の平面アンテナは、周波数２．４５ＧＨｚのマイクロ波を処理容器内に導入する目的に適したものであり、従来のマイクロ波の周波数よりも低い例えば１ＧＨｚ程度の周波数のマイクロ波に適した平面アンテナに関する構造面の検討は、十分になされていない。そもそも、１ＧＨｚ以下の比較的低い周波数のマイクロ波を使用するプラズマ処理装置には、平面アンテナ自体が使用されてこなかった。
【０００７】
一般に、マイクロ波の周波数を下げるとその波長が長くなることから、２．４５ＧＨｚの周波数のマイクロ波を導く場合に比べて、１ＧＨｚ程度の周波数のマイクロ波を導く場合には、平面アンテナのスロットの長さやスロットの間隔を大きくすることが考えられる。しかし、理論的に計算されたスロットの長さや配置に基づいて作製された平面アンテナを用いてプラズマ形成を行っても、安定的に表面波プラズマを形成できるとは限らない。例えば近年では３００ｍｍウエハの処理に対応できるようにプラズマ処理装置が大型化しており、さらに、４５０ｍｍウエハへの対応も要求されるようになってきている。これに伴い平面アンテナも大径化しつつある。３００ｍｍウエハを処理するための平面アンテナは、直径が５００ｍｍ近くにも達する。４５０ｍｍウエハの場合には、平面アンテナがさらに大型化して直径が６００〜７００ｍｍ程度にも達する。このように大型の平面アンテナでは、スロットの長さや配置を計算上得られる最適値に設定しても、安定的に表面波プラズマを維持することは困難となる。
【０００８】
本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、その第１の目的は、従来のマイクロ波の周波数よりも低い周波数のマイクロ波を処理容器内に効率良く導入できる平面アンテナを提供することである。また、本発明の第２の目的は、従来のマイクロ波の周波数よりも低い周波数のマイクロ波を用い、かつ大型の基板を処理する場合でも、プラズマの制御性が高く、処理容器内で安定的に表面波プラズマを形成することができるプラズマ処理装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明に係る平面アンテナ部材は、プラズマ処理装置の処理容器内にマイクロ波発生源で発生したマイクロ波を導入する平面アンテナ部材である。この平面アンテナ部材は、導電性材料からなる平板状基材と、前記平板状基材に形成された、マイクロ波を放射する複数の細長形状の貫通開口と、を備え、前記貫通開口は、前記平面アンテナ部材の中心にその中心が重なる円周上に配列された複数の第１の貫通開口と、前記第１の貫通開口の外側に同心円状に配列された複数の第２の貫通開口と、を含んでいる。そして、前記平面アンテナ部材の中心から前記第１の貫通開口の中心までの距離Ｌ１と、前記平面アンテナ部材の半径ｒとの比Ｌ１／ｒが０．３５〜０．５の範囲内であり、かつ、前記平面アンテナ部材の中心から前記第２の貫通開口の中心までの距離Ｌ２と、前記平面アンテナ部材の半径ｒと比Ｌ２／ｒが０．７〜０．８５の範囲内である。また、前記平面アンテナ部材の中心と前記第１の貫通開口の中心とを結ぶ直線に対して、該第１の貫通開口の長手方向がなす角度が９０°〜１０５°の範囲内であり、かつ、前記平面アンテナ部材の中心と前記第２の貫通開口の中心とを結ぶ直線に対して、該第２の貫通開口の長手方向がなす角度が７５°〜８５°の範囲内である。さらに、前記平面アンテナ部材の面内における前記第１の貫通開口および前記第２の貫通開口の合計の開口面積の比率が１５〜２０％の範囲内である。
【００１０】
本発明に係る平面アンテナ部材において、前記距離Ｌ１を半径とし、前記第１の貫通開口の中心を結ぶ第１の円および前記距離Ｌ２を半径とし、前記第２の貫通開口の中心を結ぶ第２の円に対して同心円状に形成され、前記第１の円と前記第２の円との径方向の中間点を結ぶ第３の円は、その半径Ｌ３と前記半径ｒとの比Ｌ３／ｒが、０．５〜０．７の範囲内である。
【００１１】
本発明に係る平面アンテナ部材において、前記距離Ｌ２と前記距離Ｌ１との差分（Ｌ２−Ｌ１）と、前記平面アンテナ部材の半径ｒとの比（Ｌ２−Ｌ１）／ｒが０．２〜０．５の範囲内である。
【００１２】
また、本発明に係る平面アンテナ部材において、前記第１の貫通開口の長手方向に対して、前記第２の貫通開口の長手方向のなす角度が８５°〜９５°の範囲内である。
【００１３】
また、本発明に係る平面アンテナ部材において、前記平面アンテナ部材の中心から前記第１の貫通開口の中心までを結ぶ直線と、前記平面アンテナ部材の中心から前記第２の貫通開口の中心までを結ぶ直線とのなす角度が、６０°〜８０°の範囲内である。
【００１４】
また、本発明に係る平面アンテナ部材において、前記マイクロ波発生源で発生したマイクロ波の周波数が、８００〜１０００ＭＨｚの範囲内である。
【００１５】
本発明に係るプラズマ処理装置は、被処理体を収容する真空引き可能な処理容器と、前記処理容器内にガスを導入するガス導入部と、前記処理容器内を減圧排気する排気装置と、前記処理容器の上部の開口に気密に装着され、プラズマ発生用のマイクロ波を透過させる透過板と、前記透過板の上に配置され、前記マイクロ波を前記処理容器内に導入する平面アンテナ部材と、前記平面アンテナ部材を上方から覆うカバー部材と、前記カバー部材を貫通して設けられ、マイクロ波発生源で発生した８００〜１０００ＭＨｚの範囲内のマイクロ波を前記平面アンテナ部材へ供給する導波管と、を備えている。このプラズマ処理装置において、前記平面アンテナ部材は、導電性材料からなる平板状基材と、前記平板状基材に形成された、マイクロ波を放射する複数の細長形状の貫通開口と、を備え、前記貫通開口は、環状に配列された複数の第１の貫通開口と、前記第１の貫通開口の外側に同心円状に配列された複数の第２の貫通開口と、を含んでいる。そして、前記平面アンテナ部材の中心から前記第１の貫通開口の中心までの距離Ｌ１と、前記平面アンテナ部材の半径ｒとの比Ｌ１／ｒが０．３５〜０．５の範囲内であり、かつ、前記平面アンテナ部材の中心から前記第２の貫通開口の中心までの距離Ｌ２と、前記平面アンテナ部材の半径ｒと比Ｌ２／ｒが０．７〜０．８５の範囲内である。また、前記平面アンテナ部材の中心と前記第１の貫通開口の中心とを結ぶ直線に対して、該第１の貫通開口の長手方向がなす角度が９０°〜１０５°の範囲内であり、かつ、前記平面アンテナ部材の中心と前記第２の貫通開口の中心とを結ぶ直線に対して、該第２の貫通開口の長手方向がなす角度が７５°〜８５°の範囲内である。さらに、前記平面アンテナ部材の面内における前記第１の貫通開口および前記第２の貫通開口の合計の開口面積の比率が１５〜２０％の範囲内である。
【００１６】
本発明に係るプラズマ処理装置において、前記距離Ｌ１を半径とし、前記第１の貫通開口の中心を結ぶ第１の円および前記距離Ｌ２を半径とし、前記第２の貫通開口の中心を結ぶ第２の円に対して同心円状に形成され、前記第１の円と前記第２の円との径方向の中間点を結ぶ第３の円は、その半径Ｌ３と前記半径ｒとの比Ｌ３／ｒが０．５〜０．７の範囲内である。
【００１７】
また、本発明に係るプラズマ処理装置において、前記距離Ｌ２と前記距離Ｌ１との差分（Ｌ２−Ｌ１）と、前記平面アンテナ部材の半径ｒと比（Ｌ２−Ｌ１）／ｒが０．２〜０．５の範囲内である。
【００１８】
また、本発明に係るプラズマ処理装置において、前記第１の貫通開口の長手方向に対して、前記第２の貫通開口の長手方向のなす角度が８５°〜９５°の範囲内である。
【００１９】
また、本発明に係るプラズマ処理装置において、前記平面アンテナ部材の中心から前記第１の貫通開口の中心までを結ぶ直線と、前記平面アンテナ部材の中心から前記第２の貫通開口の中心までを結ぶ直線とのなす角度が、６０°〜８０°の範囲内である。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、平面アンテナ部材の中心から第１の貫通開口の中心までの距離Ｌ１と平面アンテナ部材の半径ｒとの比Ｌ１／ｒを０．３５〜０．５の範囲内とし、かつ平面アンテナ部材の中心から第２の貫通開口の中心までの距離Ｌ２と平面アンテナ部材の半径ｒと比Ｌ２／ｒを０．７〜０．８５の範囲内とするとともに、平面アンテナ部材の中心と第１の貫通開口の中心とを結ぶ直線に対して、該第１の貫通開口の長手方向がなす角度を９０°〜１０５°の範囲内とし、かつ、平面アンテナ部材の中心と前記第２の貫通開口の中心とを結ぶ直線に対して、該第２の貫通開口の長手方向がなす角度を７５°〜８５°の範囲内とし、さらに平面アンテナ部材の面内における前記第１の貫通開口および前記第２の貫通開口の合計の開口面積の比率を１５〜２０％の範囲内とすることによって、マイクロ波発生装置で発生させるマイクロ波の周波数を、従来のマイクロ波の周波数より低い８００ＭＨｚ〜１０００ＭＨｚにした場合でも、反射波の発生を抑え、処理容器内へ効率良くマイクロ波を導入できる。従って、処理容器内で表面波プラズマを安定的に維持することができるとともに、基板の大型化への対応も可能になる、という効果を奏する。
【００２１】
また、上記平面アンテナ部材を備えた本発明に係るプラズマ処理装置は、マイクロ波発生源で発生させるマイクロ波の周波数を、従来のマイクロ波の周波数より低い８００ＭＨｚ〜１０００ＭＨｚの範囲内に設定したので、例えば２．４５ＧＨｚのマイクロ波を使用する場合に比べて、プラズマ処理条件のマージンが広がり、高い圧力範囲までカットオフ密度以上のプラズマ密度を維持することができる。従って、本発明のプラズマ処理装置によれば、比較的高い圧力条件でも十分な処理レートやウエハ面内における処理の均一性を確保することが可能であり、高い精度が必要な３次元デバイスの加工や微細加工への対応も図ることができる、という効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の実施の形態に係るプラズマ処理装置の一例を示す概略断面図である。
【図２】平面アンテナ板の平面図である。
【図３】図２の要部を拡大して示す図面である。
【図４】図１のプラズマ処理装置の制御系統の概略構成を示すブロック図である。
【図５】プラズマのカットオフ密度の圧力依存モデルを説明する図面である。
【図６】比較例のアンテナＢのスロット形状と配置を示す図面である。
【図７】比較例のアンテナＣのスロット形状と配置を示す図面である。
【図８】比較例のアンテナＤのスロット形状と配置を示す図面である。
【図９】比較例のアンテナＥのスロット形状と配置を示す図面である。
【図１０】プラズマの電子温度および電子密度とマイクロ波パワーとの関係を示すグラフ図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。図１は、本発明の実施の形態に係るプラズマ処理装置１００の概略構成を模式的に示す断面図である。また、図２は、図１のプラズマ処理装置１００に用いられる本発明の実施の形態に係る平面アンテナを示す要部平面図であり、図３は、該平面アンテナにおける貫通開口としてのスロットの拡大図である。さらに、図４は、図１のプラズマ処理装置１００における制御系統の概略構成例を示す図面である。
【００２４】
プラズマ処理装置１００は、複数のスロット状の孔を有する平面アンテナ、特にＲＬＳＡ（Ｒａｄｉａｌ Ｌｉｎｅ Ｓｌｏｔ Ａｎｔｅｎｎａ；ラジアルラインスロットアンテナ）にて処理容器内にマイクロ波を導入してプラズマを発生させることにより、高密度かつ低電子温度のプラズマを発生させ得るプラズマ処理装置として構成されている。プラズマ処理装置１００では、１０９／ｃｍ３〜１０１３／ｃｍ３のプラズマ密度で、かつ２ｅＶ以下の低電子温度を有するプラズマによる処理が可能である。従って、プラズマ処理装置１００は、各種半導体装置の製造過程において好適に利用できるものである。
【００２５】
プラズマ処理装置１００は、主要な構成として、気密に構成された処理容器１と、処理容器１内にガスを導入するガス導入部１５と、処理容器１内を減圧排気するための排気装置としての排気装置２４と、処理容器１の上部に設けられ、処理容器１内にマイクロ波を導入するマイクロ波導入機構２７と、これらプラズマ処理装置１００の各構成部を制御する制御手段としての制御部５０と、を備えている。なお、ガス供給装置１８、排気装置２４およびマイクロ波導入機構２７は、処理容器１内で処理ガスのプラズマを生成させるプラズマ生成手段を構成している。
【００２６】
処理容器１は、接地された略円筒状の容器により形成されている。なお、処理容器１は角筒形状の容器により形成してもよい。処理容器１は、アルミニウム等の材質からなる底壁１ａと側壁１ｂとを有している。
【００２７】
処理容器１の内部は、被処理体であるシリコンウエハ（以下、単に「ウエハ」と記す）Ｗを水平に支持するための載置台２が設けられている。載置台２は、熱伝導性の高い材質例えばＡｌＮ等のセラミックスにより構成されている。この載置台２は、排気室１１の底部中央から上方に延びる円筒状の支持部材３により支持されている。支持部材３は、例えばＡｌＮ等のセラミックスにより構成されている。
【００２８】
また、載置台２には、その外縁部をカバーし、ウエハＷをガイドするためのカバーリング４が設けられている。このカバーリング４は、例えば石英、ＡｌＮ、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＮ等の材質で構成された環状部材である。
【００２９】
また、載置台２には、温度調節機構としての抵抗加熱型のヒータ５が埋め込まれている。このヒータ５は、ヒータ電源５ａから給電されることにより載置台２を加熱して、その熱で被処理基板であるウエハＷを均一に加熱する。
【００３０】
また、載置台２には、熱電対（ＴＣ）６が配備されている。この熱電対６によって温度計測を行うことにより、ウエハＷの加熱温度を例えば室温から９００℃までの範囲で制御可能となっている。
【００３１】
また、載置台２には、ウエハＷを支持して昇降させるためのウエハ支持ピン（図示せず）が設けられている。各ウエハ支持ピンは、載置台２の表面に対して突没可能に設けられている。
【００３２】
処理容器１の内周には、石英からなる円筒状のライナー７が設けられている。また、載置台２の外周側には、処理容器１内を均一排気するため、多数の排気孔８ａを有する石英製のバッフルプレート８が環状に設けられている。このバッフルプレート８は、複数の支柱９により支持されている。なお、プラズマ処理装置１００をプラズマＣＶＤ装置として使用する場合には、ライナー７およびバッフルプレート８は配備しなくてもよい。
【００３３】
処理容器１の底壁１ａの略中央部には、円形の排気口１０が形成されている。底壁１ａにはこの排気口１０と連通し、下方に向けて突出する排気室１１が設けられている。この排気室１１には、排気管１２が接続されており、この排気管１２を介して排気装置２４に接続されている。
【００３４】
処理容器１の上端には、処理容器１を開閉させるリッドとしての環状のプレート１３が配置されている。プレート１３の内周部は、内側（処理容器内空間）へ向けて突出し、透過板２８を支持する環状の支持部１３ａを形成している。このプレート１３と処理容器１との間は、シール部材１４を介して気密にシールされている。
【００３５】
処理容器１の側壁１ｂには、環状をなすガス導入部１５が設けられている。このガス導入部１５は、配管を介して酸素含有ガスやプラズマ励起用ガスを供給するガス供給装置１８に接続されている。なお、ガス導入部１５は、処理容器１内に突出するノズル状、または複数のガス孔を有するシャワー状に設けてもよい。
【００３６】
ガス供給装置１８は、例えば、プラズマ形成用のＡｒ、Ｋｒ、Ｘｅ、Ｈｅ等の希ガスや、酸化処理における酸素ガス等の酸化性ガス、窒化処理における窒化ガスなどの処理ガス等を供給するガス供給源（図示せず）を有している。また、ＣＶＤ処理の場合には、原料ガス、処理容器内雰囲気を置換する際に用いるＮ２、Ａｒ等のパージガス、処理容器１内をクリーニングする際に用いるＣｌＦ３、ＮＦ３等のクリーニングガス等を供給するガス供給源を設けることもできる。各ガス供給源は、図示しないマスフローコントローラおよび開閉バルブを備え、供給されるガスの切替えや流量等の制御が出来るようになっている。
【００３７】
また、処理容器１の側壁１ｂには、プラズマ処理装置１００と、これに隣接する搬送室（図示せず）との間でウエハＷの搬入出を行うための搬入出口１６と、この搬入出口１６を開閉するゲートバルブ１７とが設けられている。
【００３８】
排気装置２４は、例えばターボ分子ポンプなどの高速真空ポンプを備えている。前記のように、排気装置２４は、排気管１２を介して処理容器１の排気室１１に接続されている。排気装置２４を作動させることにより、処理容器１内のガスは、排気室１１の空間１１ａ内へ均一に流れ、さらに空間１１ａから排気管１２を介して外部へ排気される。これにより、処理容器１内を例えば０．１３３Ｐａまで高速に減圧することが可能となっている。
【００３９】
次に、マイクロ波導入機構２７の構成について説明する。マイクロ波導入機構２７は、主要な構成として、透過板２８、平面アンテナ板３１、遅波板３３、カバー部材３４、導波管３７、マッチング回路３８およびマイクロ波発生装置３９を備えている。
【００４０】
マイクロ波を透過させる透過板２８は、プレート１３において内周側に張り出した支持部１３ａ上に配備されている。透過板２８は、誘電体、例えば石英やＡｌ２Ｏ３、ＡｌＮ等のセラミックスから構成されている。この透過板２８と支持部１３ａとの間は、シール部材２９を介して気密にシールされている。したがって、処理容器１内は気密に保持される。
【００４１】
平面アンテナ板３１は、透過板２８の上方において、載置台２と対向するように設けられている。平面アンテナ板３１は、円板状をなしている。なお、平面アンテナ板３１の形状は、円板状に限らず、例えば四角板状でもよい。この平面アンテナ板３１は、プレート１３の上端に係止されている。
【００４２】
平面アンテナ板３１は、例えば図２および図３にも示したように、円板状の基材３１ａと、この基材３１ａにおいて所定のパターンで貫通して形成された多数のスロット３２（３２ａ，３２ｂ）とを有している。基材３１ａは、例えば表面が金または銀メッキされた銅板、アルミニウム板、またはニッケル板等の導体板により構成されている。マイクロ波放射孔として機能する個々のスロット３２は、細長い形状をなしている。スロット３２の角部に電界が集中し、異常放電を引き起こしやすくなるため、細長のスロット３２の両端の角部は、丸みを帯びた形状に加工されている。また、スロット３２は、平面アンテナ板３１の中心ＯＡ側の位置に、中心ＯＡと重なる中心を持つ円周上に周方向に配列された複数の第１のスロット３２ａと、これら第１のスロット３２ａを囲むように外側に配列された複数の第２のスロット３２ｂとを含んでいる。内側の第１のスロット３２ａと外側の第２のスロット３２ｂとは同心円状に配列されている。平面アンテナ板３１におけるスロット３２の配置については、後で詳述する。
【００４３】
平面アンテナ板３１の上には、真空よりも大きい誘電率を有する材料からなる遅波板３３が設けられている。遅波板３３は平面アンテナ板３１を覆うように配置されている。遅波板３３の材料としては、例えば、石英、ポリテトラフルオロエチレン樹脂、ポリイミド樹脂などを挙げることができる。この遅波板３３は、真空中ではマイクロ波の波長が長くなることから、マイクロ波の波長を短くしてプラズマを調整する機能を有している。
【００４４】
なお、平面アンテナ板３１と透過板２８との間、また、遅波板３３と平面アンテナ板３１との間は、それぞれ接触させても離間させてもよいが、定在波の発生を抑制する観点からは、接触させることが好ましい。
【００４５】
処理容器１の上部には、これら平面アンテナ板３１および遅波板３３を覆うように、導波路を形成する機能も有するカバー部材３４が設けられている。カバー部材３４は、例えばアルミニウムやステンレス鋼、銅等の金属材料によって形成されている。プレート１３の上端とカバー部材３４とは、マイクロ波が外部へ漏えいしないように導電性を有するスパイラルシールドリングなどのシール部材３５によりシールされている。また、カバー部材３４には、冷却水流路３４ａが形成されている。この冷却水流路３４ａに冷却水を通流させることにより、カバー部材３４、遅波板３３、平面アンテナ板３１および透過板２８を冷却できるようになっている。この冷却機構により、カバー部材３４、遅波板３３、平面アンテナ板３１、透過板２８およびプレート１３がプラズマの熱により変形・破損することが防止される。なお、プレート１３、平面アンテナ板３１およびカバー部材３４は接地されている。
【００４６】
カバー部材３４の上壁（天井部）の中央には、開口部３６が形成されており、この開口部３６には導波管３７の下端が接続されている。導波管３７の他端側には、マッチング回路３８を介してマイクロ波を発生するマイクロ波発生装置３９が接続されている。マイクロ波発生装置３９で発生させるマイクロ波の周波数としては、後述する理由により、従来のマイクロ波の周波数より低い周波数例えば８００ＭＨｚ〜１０００ＭＨｚの範囲内が好ましく用いられ、特に９１５ＭＨｚが好ましい。
【００４７】
導波管３７は、上記カバー部材３４の開口部３６から上方へ延出する断面円形状の同軸導波管３７ａと、この同軸導波管３７ａの上端部にモード変換器４０を介して接続された水平方向に延びる矩形導波管３７ｂとを有している。モード変換器４０は、矩形導波管３７ｂ内をＴＥモードで伝播するマイクロ波をＴＥＭモードに変換する機能を有している。
【００４８】
同軸導波管３７ａの中心には内導体４１が延在している。この内導体４１は、その下端部において平面アンテナ板３１の中心に接続固定されている。このような構造により、マイクロ波は、同軸導波管３７ａの内導体４１を介して平面アンテナ板３１へ放射状に効率よく均一に伝播される。
【００４９】
以上のような構成のマイクロ波導入機構２７により、マイクロ波発生装置３９で発生したマイクロ波が導波管３７を介して平面アンテナ板３１へ伝搬され、さらに透過板２８を介して処理容器１内に導入されるようになっている。
【００５０】
プラズマ処理装置１００の各構成部は、制御部５０に接続されて制御される構成となっている。制御部５０は、図４に示したように、ＣＰＵを備えたプロセスコントローラ５１と、このプロセスコントローラ５１に接続されたユーザーインターフェース５２および記憶部５３を備えている。プロセスコントローラ５１は、プラズマ処理装置１００において、例えば温度、ガス流量、圧力、マイクロ波出力などのプロセス条件に関係する各構成部（例えば、ヒータ電源５ａ、ガス供給装置１８、排気装置２４、マイクロ波発生装置３９など）を統括して制御する制御手段である。
【００５１】
ユーザーインターフェース５２は、工程管理者がプラズマ処理装置１００を管理するためにコマンドの入力操作等を行うキーボードや、プラズマ処理装置１００の稼働状況を可視化して表示するディスプレイ等を有している。また、記憶部５３には、プラズマ処理装置１００で実行される各種処理をプロセスコントローラ５１の制御にて実現するための制御プログラム（ソフトウエア）や処理条件データ等が記録されたレシピが保存されている。
【００５２】
そして、必要に応じて、ユーザーインターフェース５２からの指示等にて任意のレシピを記憶部５３から呼び出してプロセスコントローラ５１に実行させることで、プロセスコントローラ５１の制御下、プラズマ処理装置１００の処理容器１内で所望の処理が行われる。また、前記制御プログラムや処理条件データ等のレシピは、コンピュータ読み取り可能な記憶媒体、例えばＣＤ−ＲＯＭ、ハードディスク、フレキシブルディスク、フラッシュメモリ、ＤＶＤ、ブルーレイディスクなどに格納された状態のものを利用したり、あるいは、他の装置から、例えば専用回線を介して随時伝送させてオンラインで利用したりすることも可能である。
【００５３】
このように構成されたプラズマ処理装置１００では、８００℃以下の低温で下地膜等へのダメージフリーなプラズマ処理を行うことができる。また、プラズマ処理装置１００は、プラズマの均一性に優れていることから、プロセスの均一性を実現できる。
【００５４】
ここで、再び図２および図３を参照しながら、平面アンテナ板３１におけるスロット３２の配置について説明する。プラズマ処理装置１００では、マイクロ波発生装置３９で発生した例えば９１５ＧＨｚのマイクロ波が、同軸導波管３７ａを介して平面アンテナ板３１の中央部に供給され、平面アンテナ板３１とカバー部材３４とによって構成される偏平導波路を放射状に伝搬していく。この途中にスロット３２を配置することにより、スロット３２の開口からマイクロ波を均一に効率良く下方の処理容器１内空間へ向けて放射させることが可能になる。本実施の形態では、例えば６個の第１のスロット３２ａが、平面アンテナ板３１の円周方向に均等に配置されている。第１のスロット３２ａと対をなす第２のスロット３２ｂも、同様に６個が第１のスロット３２ａより外側において平面アンテナ板３１の円周方向に均等に配置されている。図２において、破線で囲む第１のスロット３２ａおよび第２のスロット３２ｂが対をなしている。内周側の第１のスロット３２ａと外周側の第２のスロット３２ｂの個数は、同じでも異なっていてもよいが、個数が異なる場合には不対スロットの存在によって反射波が生成しやすくなることがあるため、同じであることが好ましい。
【００５５】
また、反射波の発生を抑制して処理容器１内へのマイクロ波の導入効率を向上させる目的で、平面アンテナ板３１の中心ＯＡ（基材３１ａの中心に同じ）から第１のスロット３２ａの中心Ｏ３２ａまでの距離Ｌ１と、平面アンテナ板３１の半径ｒとの比Ｌ１／ｒは０．３５〜０．５の範囲内である。この比Ｌ１／ｒが０．３５未満あるいは０．５超では、各スロットからのマイクロ波の反射波が生成され、放射効率が悪くなる。
【００５６】
また、平面アンテナ板３１の中心ＯＡから第２のスロット３２ｂの中心Ｏ３２ｂまでの距離Ｌ２と、平面アンテナ板３１の半径ｒとの比Ｌ２／ｒは０．７〜０．８５の範囲内である。この比Ｌ２／ｒが０．７未満あるいは０．８５超では、各スロットからのマイクロ波の反射波が生成され、放射効率が悪くなる。
【００５７】
距離Ｌ１と半径ｒとの比Ｌ１／ｒおよび距離Ｌ２と半径ｒとの比Ｌ２／ｒは、遅波板３３により調整されたマイクロ波の波長λｇに応じてある程度決定できるが、計算値と現実に有効な範囲とは必ずしも一致しない。本発明者らは、比Ｌ１／ｒおよび比Ｌ２／ｒを上記範囲とすることが、従来のマイクロ波の周波数より低い８００ＭＨｚ〜１０００ＭＨｚの範囲内のマイクロ波を使用して定在波を生成させ、安定したプラズマを生成するために有効であることを見出した。
【００５８】
また、第１のスロット３２ａの中心Ｏ３２ａを平面アンテナ板３１の周方向に結ぶ半径が距離Ｌ１の円をＣ１とし、第２のスロット３２ｂの中心Ｏ３２ｂを平面アンテナ板３１の周方向に結ぶ半径が距離Ｌ２の円をＣ２とし、平面アンテナ板３１の中心ＯＡから、円Ｃ１と円Ｃ２の径方向の中間点Ｍまでの距離Ｌ３を半径とする円をＣ３とした場合、距離Ｌ３と平面アンテナ板３１の半径ｒとの比Ｌ３／ｒが０．５〜０．７の範囲内であることが、マイクロ波の処理容器１内への導入効率を向上させる観点から好ましい。比Ｌ３／ｒを上記範囲内に規定することによって、反射波の発生を抑制し、周波数８００ＭＨｚ〜１０００ＭＨｚの範囲内のマイクロ波を効率良く処理容器１内に供給することができ、安定したプラズマを形成できる。
【００５９】
また、距離Ｌ２と距離Ｌ１との差分（Ｌ２−Ｌ１）と、平面アンテナ板３１の半径ｒと比（Ｌ２−Ｌ１）／ｒは０．２〜０．５の範囲内であることが、処理容器１内への周波数８００ＭＨｚ〜１０００ＭＨｚの範囲内のマイクロ波の導入効率を向上させる観点から好ましい。比（Ｌ２−Ｌ１）／ｒを上記範囲内に規定することによって、反射波の発生を抑制し、マイクロ波を効率良く処理容器１内に供給することができ、安定したプラズマを形成できる。
【００６０】
なお、本発明において、「平面アンテナ板３１の半径ｒ」は、基材３１ａ上で平面アンテナとして有効に機能する円形の領域の半径を意味する。例えば平面アンテナ板３１をプレート１３の上端に螺子等の固定手段で固定した場合には、基材３１ａの周縁部に螺子孔などが形成された係止領域（図示せず。周縁端から３〜２０ｍｍ程度）が必要になる。しかし、固定の目的で設けられたこの係止領域は、アンテナとしての機能を奏さない部分であるため、このような係止領域を含まないように平面アンテナ板３１の半径ｒが規定される。
【００６１】
次に、平面アンテナ板３１におけるスロット３２の配置角度について説明する。同軸導波管３７ａから平面アンテナ板３１の中心に伝搬されたマイクロ波により、導体からなる平面アンテナ板３１の基材３１ａ上には表面電流が生じる。この表面電流は平面アンテナ板３１の径外方向へ向かって放射状に流れるが、途中でスロット３２により遮られるため、スロット３２の開口の縁に電荷が誘起される。このように誘起された電荷はマイクロ波を発生させる。このマイクロ波がスロット３２および透過板２８を介して下方の処理容器１内の空間へ向けて放射される。そのため、スロット３２の長手方向が表面電流の方向（平面アンテナ板３１の径外方向）と一致する場合には、処理容器１内へマイクロ波が放射されにくくなる。
【００６２】
以上のことから、処理容器１内へ効率良くマイクロ波を導入するためには、スロット３２の配置角度も重要な要素となる。本実施の形態では、平面アンテナ板３１の中心ＯＡと第１のスロット３２ａの中心Ｏ３２ａとを結ぶ直線に対して、該第１のスロット３２ａの長手方向がなす角度θ１が９０°〜１０５°の範囲内であることが好ましい。角度θ１を９０°〜１０５°の範囲内に規定することによって、反射波の発生を抑制し、周波数８００ＭＨｚ〜１０００ＭＨｚの範囲内のマイクロ波を効率良く処理容器１内に供給することができ、安定したプラズマを形成できる。この角度θ１が９０°未満では、平面アンテナ板３１の径方向に伝播する波の効率が低下し、１０５°を超えると、平面アンテナ板３１の周方向に伝播する波の効率が低下する。
【００６３】
上記と同様の理由から、平面アンテナ板３１の中心ＯＡと第２のスロット３２ｂの中心Ｏ３２ｂとを結ぶ直線に対して、該第２のスロット３２ｂの長手方向がなす角度θ２が７５°〜８５°の範囲内であることが好ましい。角度θ２を７５°〜８５°の範囲内に規定することによって、反射波の発生を抑制し、周波数８００ＭＨｚ〜１０００ＭＨｚの範囲内のマイクロ波を効率良く処理容器１内に供給することができ、安定したプラズマを形成できる。この角度θ２が７５°未満では平面アンテナ板３１の周方向に伝播する波の効率が低下し、８５°を超えると平面アンテナ板３１の径方向に伝播する波の効率が低下し、マイクロ波の放射効率が低下する。
【００６４】
また、平面アンテナ板３１の中心ＯＡから第１のスロット３２ａの中心Ｏ３２ａまでを結ぶ直線と、平面アンテナ板３１の中心ＯＡから第２のスロット３２ｂの中心Ｏ３２ｂまでを結ぶ直線とがなす角度θ３は、６０°〜８０°の範囲内であることが好ましい。角度θ３を６０°〜８０°の範囲内に規定することによって、対をなす第１のスロット３２ａと第２のスロット３２ｂとの間隔が適正となり、反射波の発生を抑制し、周波数８００ＭＨｚ〜１０００ＭＨｚの範囲内のマイクロ波を効率良く処理容器１内に供給することができる。その結果、安定したプラズマを形成できる。この角度θ３が上記範囲外では、各スロット３２からのマイクロ波の放射効率が低下する。
【００６５】
また、第１のスロット３２ａの長手方向と、第２のスロット３２ｂの長手方向とのなす角度θ４は、直角に近いことが好ましく、例えば８５°〜９５°の範囲内とすることができる。
【００６６】
以上のように、角度θ１、θ２、θ３およびθ４を調整することにより、スロット３２を介して周波数８００ＭＨｚ〜１０００ＭＨｚの範囲内のマイクロ波を高い効率で処理容器１内へ導入することができる。なお、平面アンテナ板３１の中心ＯＡから、互いに隣接する第１のスロット３２ａの中心Ｏ３２ａにそれぞれ延びる２本の直線のなす角度は、第１のスロット３２ａの配設数に応じて例えば均等になるように適宜設定できる。平面アンテナ板３１の中心ＯＡから、互いに隣接する第２のスロット３２ｂの中心Ｏ３２ｂにそれぞれ延びる２本の直線のなす角度についても同様である。
【００６７】
また、図３に示したように、第１のスロット３２ａの長さと、第２のスロット３２ｂの長さは、共に同じである（スロット長Ｌ４）。さらに、第１のスロット３２ａの幅と、第２のスロット３２ｂの幅は、共に同じである（スロット幅Ｗ１）。放射効率を高める観点から、スロット長Ｌ４は、例えば８０ｍｍ〜１００ｍｍの範囲内とすることができる。また、スロット幅Ｗ１は、例えば８ｍｍ〜４０ｍｍの範囲内、好ましくは２０ｍｍ〜４０ｍｍの範囲内とすることができる。
【００６８】
また、マイクロ波の反射を抑え、処理容器１内へのマイクロ波の放射効率を高める観点から、平板状の平面アンテナ板３１の上面または下面の面積に対する開口面積（第１のスロット３２ａと第２のスロット３２ｂの開口の面積の総和）の比率は、１５％以上であることが好ましい。上記開口面積の比率が１５％未満である場合、反射波が大きくなりマイクロ波を処理容器１内に効率的に導入できない。また、開口面積の比率に上限はないが、スロット配置により、物理的に限界があるため、１５〜２０％の範囲内であることがより好ましい。なお、この場合、前記の定義に基づいて半径ｒを規定し、平面アンテナ板３１の面積を算出するものとする。
【００６９】
また、遅波板３３の材質が石英である場合の遅波板３３の厚みは、石英の誘電率による波長短縮と石英内での定在波の周期性を考慮して、定在波の波長に設定することが好ましい。
【００７０】
次に、本実施の形態に係るプラズマ処理装置１００を用いたプラズマ処理の手順の一例について説明する。ここでは、処理ガスとして酸素を含有するガスを用い、ウエハ表面をプラズマ酸化処理する場合を例に挙げる。
まず、例えばユーザーインターフェース５２から、プラズマ処理装置１００でプラズマ酸化処理を行うように指令が入力される。この指令を受けて、プロセスコントローラ５１は、記憶部５３に保存されたレシピを読み出す。そして、レシピに基づく条件でプラズマ酸化処理が実行されるように、プロセスコントローラ５１からプラズマ処理装置１００の各エンドデバイス例えばガス供給装置１８、排気装置２４、マイクロ波発生装置３９、ヒータ電源５ａなどへ制御信号が送出される。
【００７１】
そして、ゲートバルブ１７を開にして搬入出口１６からウエハＷを処理容器１内に搬入し、載置台２上に載置する。次に、処理容器１内を減圧排気しながら、ガス供給装置１８から、不活性ガスおよび酸素含有ガスを所定の流量でそれぞれガス導入部１５を介して処理容器１内に導入する。さらに、排気量およびガス供給量を調整して処理容器１内を所定の圧力に調節する。
【００７２】
次に、マイクロ波発生装置３９のパワーをオン（入）にして、マイクロ波を発生させる。そして、従来のマイクロ波の周波数よりも低い周波数例えば９１５ＭＨｚのマイクロ波は、マッチング回路３８を介して導波管３７に導かれる。導波管３７に導かれたマイクロ波は、矩形導波管３７ｂおよび同軸導波管３７ａを順次通過し、内導体４１を介して平面アンテナ板３１に供給される。マイクロ波は、矩形導波管３７ｂ内ではＴＥモードで伝搬し、このＴＥモードのマイクロ波はモード変換器４０でＴＥＭモードに変換されて、同軸導波管３７ａ内を平面アンテナ板３１に向けて伝搬していく。そして、マイクロ波は、平面アンテナ板３１に貫通形成された孔であるスロット３２から透過板２８を介して処理容器１内におけるウエハＷの上方空間に放射される。マイクロ波出力は、マイクロ波を効率良く供給する観点から、平面アンテナ板３１の面積１ｃｍ２あたりのパワー密度として０．４１〜４．１９Ｗ／ｃｍ２の範囲内とすることが好ましい。マイクロ波出力は、例えば５００〜５０００Ｗ程度の範囲内から目的に応じて上記範囲内のパワー密度となるように選択することができる。本発明のアンテナ形状、配置により、マイクロ波を高パワー密度で平面アンテナ板３１に供給し、高効率で処理容器１内に導入でき、安定したプラズマを生成できる。
【００７３】
平面アンテナ板３１から透過板２８を経て処理容器１に放射されたマイクロ波により、処理容器１内で電磁界が形成され、不活性ガスおよび酸素含有ガスがそれぞれプラズマ化する。このマイクロ波により励起されたプラズマは、マイクロ波が平面アンテナ板３１の多数のスロット３２から放射されることにより、１０９／ｃｍ３〜１０１３／ｃｍ３の高密度で、かつウエハＷ近傍では、略１．５ｅＶ以下の低電子温度のプラズマとなる。このようにして形成される高密度プラズマは、下地膜へのイオン等によるプラズマダメージが少ないものである。そして、プラズマ中の活性種例えばラジカルやイオンの作用によりウエハＷのシリコン表面が酸化されてシリコン酸化膜ＳｉＯ２の薄膜が形成される。なお、酸素含有ガスに代えて窒素ガスを用いることにより、シリコンの窒化処理が可能であり、また、成膜原料ガスを用いることによりプラズマＣＶＤ法による成膜を行うことも可能である。
【００７４】
プロセスコントローラ５１からプラズマ処理を終了させる制御信号が送出されると、マイクロ波発生装置３９のパワーがオフ（切）にされ、プラズマ酸化処理が終了する。次に、ガス供給装置１８からの処理ガスの供給を停止して処理容器内を真空引きする。そして、ウエハＷを処理容器１内から搬出し、１枚のウエハＷに対するプラズマ処理が終了する。
【００７５】
プラズマ処理装置１００では、マイクロ波発生装置３９で発生させるマイクロ波の周波数を従来のマイクロ波の周波数より低い８００ＭＨｚ〜１０００ＭＨｚの範囲内（好ましくは９１５ＭＨｚ）に設定した。プラズマ生成用のマイクロ波として、周波数が８００ＭＨｚ〜１０００ＭＨｚの範囲内のものを使用することにより、例えば従来の２．４５ＧＨｚの周波数のマイクロ波を使用する場合に比べて、表面波プラズマがカットオフされるプラズマ密度（カットオフ密度）が低下し、より高い圧力条件まで安定的にプラズマを生成することができる。
【００７６】
図５は、プラズマ処理装置１００で行われるプラズマ処理の処理圧力とプラズマの電子密度との関係を示している。処理圧力が高くなるに伴い、プラズマの電子密度は低下し、カットオフ密度において電子密度は急激に減少する。２．４５ＧＨｚのマイクロ波プラズマのカットオフ密度は約７．５×１０１０ｃｍ−３であり、９１５ＭＨｚのマイクロ波プラズマのカットオフ密度は約１.０×１０１０ｃｍ−３である。そして、図５に示したように、２．４５ＧＨｚのマイクロ波プラズマに比べ、９１５ＭＨｚのマイクロ波プラズマでは、より高い圧力条件までカットオフ密度以上のプラズマ密度を維持することができる。
【００７７】
プラズマ処理装置１００に使用する平面アンテナ板３１では、平面アンテナ板３１の中心ＯＡから内側の第１のスロット３２ａの中心Ｏ３２ａまでの距離Ｌ１と平面アンテナ板３１の半径ｒとの比Ｌ１／ｒを０．３５〜０．５の範囲内とし、かつ、平面アンテナ板３１の中心ＯＡから外側の第２のスロット３２ｂの中心Ｏ３２ｂまでの距離Ｌ２と、平面アンテナ板３１の半径ｒとの比Ｌ２／ｒを０．７〜０．８５の範囲内とした。また、平面アンテナ板３１の中心ＯＡと第１のスロット３２ａの中心Ｏ３２ａとを結ぶ直線に対して、該第１のスロット３２ａの長手方向がなす角度θ１を９０°〜１０５°の範囲内とし、平面アンテナ板３１の中心ＯＡと第２のスロット３２ｂの中心Ｏ３２ｂとを結ぶ直線に対して、該第２のスロット３２ｂの長手方向がなす角度θ２を７５°〜８５°の範囲内とした。さらに、平面アンテナ板３１の面内における第１のスロット３２ａおよび第２のスロット３２ｂの合計の開口面積の比率を１５〜２０％の範囲内とした。以上の構成によって、マイクロ波発生装置３９で発生させるマイクロ波の周波数を８００ＭＨｚ〜１０００ＭＨｚの範囲内に設定した場合でも、反射波の発生を抑え、処理容器１内へ効率良くマイクロ波を導入できる。従って、プラズマのモードジャンプの発生を抑制し、例えば６６７Ｐａ〜１３３３Ｐａの比較的高い圧力でマイクロ波を高パワー密度に供給しても、処理容器１内で表面波プラズマを安定的に維持することができる。
【００７８】
また、本実施の形態の平面アンテナ板３１では、平面アンテナ板３１の中心ＯＡから第１のスロット３２ａの中心Ｏ３２ａまでを結ぶ直線と、平面アンテナ板３１の中心ＯＡから第２のスロット３２ｂの中心Ｏ３２ｂまでを結ぶ直線とがなす角度θ３を６０°〜８０°の範囲内とした。さらに、第１のスロット３２ａの長手方向と、第２のスロット３２ｂの長手方向とのなす角度θ４を略直角例えば８５°〜９５°の範囲内とした。角度θ３およびθ４を上記範囲に規定することにより、スロット３２を介してマイクロ波をさらに高い効率で処理容器１内へ導入することができる。
【００７９】
以上のように、本実施の形態の平面アンテナ板３１では、スロット３２ａ，３２ｂの配置を工夫したことにより、従来のマイクロ波の周波数よりも低い８００ＭＨｚ〜１０００ＭＨｚの範囲内（好ましくは９１５ＭＨｚ）の周波数のマイクロ波を処理容器１内に効率良く導入することができる。よって、例えば６６７Ｐａ〜１３３３Ｐａの比較的高い圧力条件でも、従来の２．４５ＧＨｚのマイクロ波を使用する場合に比べて、マイクロ波を高パワー密度で供給しても、モードジャンプが少なくなり、プラズマ処理装置１００の処理容器１内で表面波プラズマを安定的に維持することができる。そして、このようなプラズマ処理装置１００を用いることによって、比較的高い圧力条件や高パワー密度条件で処理レートの向上やウエハ面内における処理の均一性が実現し、高い精度が必要な３次元デバイス加工や微細加工への対応を図ることが可能になる。
【００８０】
次に、図１に示したプラズマ処理装置１００と同様の構成のプラズマ処理装置を用い、平面アンテナ板３１の構造（スロットパターン）が、処理容器１内へのマイクロ波のパワーの導入効率に与える影響についてシミュレーションにより検証した。
【００８１】
シミュレーション条件は、以下のとおりである。
使用ソフトウエア：ＣＯＭＳＯＬ（商品名；ＣＯＭＳＯＬ社製）
平面アンテナ部材：下記のアンテナＡ〜Ｅとした。
供給パワー：２０００Ｗ
【００８２】
アンテナＡ（本発明例）：
図２に示したものと同様のスロット形状および配置とした。アンテナの半径ｒは２４０．７５ｍｍ、スロット形状は９４．８ｍｍ×３０ｍｍ、Ｌ１は１１２．１ｍｍ、Ｌ２は１９４．１ｍｍ、Ｌ３は１５３.１ｍｍ、θ１は９９．５°、θ２は８０．５°、θ３は７１．１°、θ４は９０°とした。
【００８３】
アンテナＢ（比較例１）：
図６に示したように、スロット３２を内周４個、外周４個の４対（合計８個）とした以外はアンテナＡと同様とした。
【００８４】
アンテナＣ（比較例２）：
図７に示したように、スロット３２を内周１６個、外周１６個の１６対（合計３２個）とした。アンテナの半径ｒは２４０．７５ｍｍ、スロット形状は６２．４ｍｍ×６ｍｍ、Ｌ１は１０５．３ｍｍ、Ｌ２は１８９．３５ｍｍ、Ｌ３は１４７．３３ｍｍ、θ１は３９．４°、θ２は１４０．６°、θ３は１１．２°、θ４は９０°とした。
【００８５】
アンテナＤ（比較例３）：
図８に示したように、スロット３２を内周８個、外周１６個とし、８対と不対スロット８個の合計２４個とした。アンテナの半径ｒは２４０．７５ｍｍ、スロット形状は６２．４ｍｍ×３０ｍｍ、Ｌ１は１０５．３ｍｍ、Ｌ２は１８９．３５ｍｍ、Ｌ３は１４７．３ｍｍ、θ１は３９．４°、θ２は１４０．６°、θ３は１１．２°、θ４は９０°とした。
【００８６】
アンテナＥ（比較例４）：
図９に示したように、スロット３２を内周８個、外周８個（合計１６個）とした以外は、アンテナＤと同様とした。
【００８７】
シミュレーション実験の結果を表１に示した。
【００８８】
【表１】
【００８９】
表１に示したように、アンテナＡは、マイクロ波の吸収パワーが１４９０Ｗ（吸収効率７５％）であったのに対し、平面アンテナ板のスロットの形状や配置角度は同じであるが、スロット数が少なく、開口面積比率が１２．５０％と小さいアンテナＢでは、マイクロ波の吸収パワーが８７Ｗ（吸収効率４．４％）に過ぎなかった。また、スロットの配置角度（θ１〜θ３）が本発明の規定範囲から外れているアンテナＣ〜Ｅでは、マイクロ波の吸収パワーが７０Ｗ以下（吸収効率３．５％以下）とさらに小さくなっており、反射が大きくマイクロ波の導入効率が著しく低かった。特に、アンテナＤでは、開口面積比率は２４．６９％でアンテナＡよりも大きいにもかかわらず、マイクロ波の吸収パワーが２９Ｗ（吸収効率１．４５％）であり最も低かった。これは、アンテナＤのスロットの配置角度（θ１〜θ３）が不適切であったことに加え、不対スロットの存在がマイクロ波の吸収を阻害したためと考えられた。
【００９０】
次に、アンテナＡを配備したプラズマ処理装置１００を用い、マイクロ波パワー変化させてプラズマを生成させ、電子密度（Ｎｅ）と電子温度（Ｔｅ）を計測した。その結果を図１０に示した。
【００９１】
プロセス条件は以下の通りである。
Ａｒガス流量：１０００ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）
プロセス圧力：１３３Ｐａ（１Ｔｏｒｒ）
マイクロ波周波数：９１５ＭＨｚ
マイクロ波出力：５００Ｗ〜１２００Ｗの間を１００Ｗ刻みで変化させた。
【００９２】
図１０より、ほぼ１［ｅＶ］前後の低い電子温度で、２×１０１１／ｃｍ３〜１．４×１０１２／ｃｍ３の高い電子密度のプラズマが得られた。特に、７００Ｗ以上のマイクロ波パワーの範囲では、モードジャンプがなく、表面波プラズマが安定して生成できていることが確認できた。
【００９３】
以上、本発明の実施形態を述べたが、本発明は上記実施形態に制約されることはなく、種々の変形が可能である。例えば、本発明の平面アンテナ板３１を備えたプラズマ処理装置１００は、例えばプラズマ酸化処理装置以外にも、プラズマ窒化処理装置やプラズマＣＶＤ処理装置、プラズマエッチング処理装置、プラズマアッシング処理装置などに適用できる。さらに、本発明の平面アンテナ板３１を備えたプラズマ処理装置１００は、被処理体として半導体ウエハを処理する場合に限らず、例えば液晶ディスプレイ装置や有機ＥＬディスプレイ装置などのフラットパネルディスプレイ装置用の基板を被処理体とするプラズマ処理装置にも適用できる。
【００９４】
また、スロット３２の平面形状は上記実施の形態で示した形状に限定されるものではなく、例えば楕円形、矩形などの形状にすることもできる。
【符号の説明】
【００９５】
１…処理容器、２…載置台、３…支持部材、５…ヒータ、１２…排気管、１５…ガス導入部、１８…ガス供給装置、２４…排気装置、２７…マイクロ波導入機構、２８…透過板、２９…シール部材、３１…平面アンテナ板、３１ａ…基材、３２…スロット、３７…導波管、３７ａ…同軸導波管、３７ｂ…矩形導波管、３９…マイクロ波発生装置、５０…制御部、５１…プロセスコントローラ、５２…ユーザーインターフェース、５３…記憶部、１００…プラズマ処理装置、Ｗ…半導体ウエハ（基板）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
プラズマ処理装置の処理容器内にマイクロ波発生源で発生したマイクロ波を導入する平面アンテナ部材であって、
導電性材料からなる平板状基材と、
前記平板状基材に形成された、マイクロ波を放射する複数の細長形状の貫通開口と、
を備え、
前記貫通開口は、前記平面アンテナ部材の中心にその中心が重なる円周上に配列された複数の第１の貫通開口と、前記第１の貫通開口の外側に同心円状に配列された複数の第２の貫通開口と、を含んでおり、
前記平面アンテナ部材の中心から前記第１の貫通開口の中心までの距離Ｌ１と、前記平面アンテナ部材の半径ｒとの比Ｌ１／ｒが０．３５〜０．５の範囲内であり、かつ、前記平面アンテナ部材の中心から前記第２の貫通開口の中心までの距離Ｌ２と、前記平面アンテナ部材の半径ｒと比Ｌ２／ｒが０．７〜０．８５の範囲内であるとともに、
前記平面アンテナ部材の中心と前記第１の貫通開口の中心とを結ぶ直線に対して、該第１の貫通開口の長手方向がなす角度が９０°〜１０５°の範囲内であり、かつ、前記平面アンテナ部材の中心と前記第２の貫通開口の中心とを結ぶ直線に対して、該第２の貫通開口の長手方向がなす角度が７５°〜８５°の範囲内であり、
前記平面アンテナ部材の面内における前記第１の貫通開口および前記第２の貫通開口の合計の開口面積の比率が１５〜２０％の範囲内であることを特徴とする平面アンテナ部材。
【請求項２】
前記距離Ｌ１を半径とし、前記第１の貫通開口の中心を結ぶ第１の円および前記距離Ｌ２を半径とし、前記第２の貫通開口の中心を結ぶ第２の円に対して同心円状に形成され、前記第１の円と前記第２の円との径方向の中間点を結ぶ第３の円は、その半径Ｌ３と前記半径ｒとの比Ｌ３／ｒが、０．５〜０．７の範囲内であることを特徴とする請求項１に記載の平面アンテナ部材。
【請求項３】
前記距離Ｌ２と前記距離Ｌ１との差分（Ｌ２−Ｌ１）と、前記平面アンテナ部材の半径ｒとの比（Ｌ２−Ｌ１）／ｒが０．２〜０．５の範囲内であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の平面アンテナ部材。
【請求項４】
前記第１の貫通開口の長手方向に対して、前記第２の貫通開口の長手方向のなす角度が８５°〜９５°の範囲内であることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の平面アンテナ部材。
【請求項５】
前記平面アンテナ部材の中心から前記第１の貫通開口の中心までを結ぶ直線と、前記平面アンテナ部材の中心から前記第２の貫通開口の中心までを結ぶ直線とのなす角度が、６０°〜８０°の範囲内であることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の平面アンテナ部材。
【請求項６】
前記マイクロ波発生源で発生したマイクロ波の周波数が、８００〜１０００ＭＨｚの範囲内であることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の平面アンテナ部材。
【請求項７】
被処理体を収容する真空引き可能な処理容器と、
前記処理容器内にガスを導入するガス導入部と、
前記処理容器内を減圧排気する排気装置と、
前記処理容器の上部の開口に気密に装着され、プラズマ発生用のマイクロ波を透過させる透過板と、
前記透過板の上に配置され、前記マイクロ波を前記処理容器内に導入する平面アンテナ部材と、
前記平面アンテナ部材を上方から覆うカバー部材と、
前記カバー部材を貫通して設けられ、マイクロ波発生源で発生した８００〜１０００ＭＨｚの範囲内のマイクロ波を前記平面アンテナ部材へ供給する導波管と、
を備えたプラズマ処理装置であって、
前記平面アンテナ部材は、導電性材料からなる平板状基材と、前記平板状基材に形成された、マイクロ波を放射する複数の細長形状の貫通開口と、を備え、
前記貫通開口は、環状に配列された複数の第１の貫通開口と、前記第１の貫通開口の外側に同心円状に配列された複数の第２の貫通開口と、を含んでおり、
前記平面アンテナ部材の中心から前記第１の貫通開口の中心までの距離Ｌ１と、前記平面アンテナ部材の半径ｒとの比Ｌ１／ｒが０．３５〜０．５の範囲内であり、かつ、前記平面アンテナ部材の中心から前記第２の貫通開口の中心までの距離Ｌ２と、前記平面アンテナ部材の半径ｒと比Ｌ２／ｒが０．７〜０．８５の範囲内であるともに、
前記平面アンテナ部材の中心と前記第１の貫通開口の中心とを結ぶ直線に対して、該第１の貫通開口の長手方向がなす角度が９０°〜１０５°の範囲内であり、かつ、前記平面アンテナ部材の中心と前記第２の貫通開口の中心とを結ぶ直線に対して、該第２の貫通開口の長手方向がなす角度が７５°〜８５°の範囲内であり、
前記平面アンテナ部材の面内における前記第１の貫通開口および前記第２の貫通開口の合計の開口面積の比率が１５〜２０％の範囲内であることを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項８】
前記距離Ｌ１を半径とし、前記第１の貫通開口の中心を結ぶ第１の円および前記距離Ｌ２を半径とし、前記第２の貫通開口の中心を結ぶ第２の円に対して同心円状に形成され、前記第１の円と前記第２の円との径方向の中間点を結ぶ第３の円は、その半径Ｌ３と前記半径ｒとの比Ｌ３／ｒが０．５〜０．７の範囲内であることを特徴とする請求項７に記載のプラズマ処理装置。
【請求項９】
前記距離Ｌ２と前記距離Ｌ１との差分（Ｌ２−Ｌ１）と、前記平面アンテナ部材の半径ｒと比（Ｌ２−Ｌ１）／ｒが０．２〜０．５の範囲内であることを特徴とする請求項９または請求項８に記載のプラズマ処理装置。
【請求項１０】
前記第１の貫通開口の長手方向に対して、前記第２の貫通開口の長手方向のなす角度が８５°〜９５°の範囲内であることを特徴とする請求項７から請求項９のいずれか１項に記載のプラズマ処理装置。
【請求項１１】
前記平面アンテナ部材の中心から前記第１の貫通開口の中心までを結ぶ直線と、前記平面アンテナ部材の中心から前記第２の貫通開口の中心までを結ぶ直線とのなす角度が、６０°〜８０°の範囲内であることを特徴とする請求項７から請求項１０のいずれか１項に記載のプラズマ処理装置。
【請求項１】
プラズマ処理装置の処理容器内にマイクロ波発生源で発生したマイクロ波を導入する平面アンテナ部材であって、
導電性材料からなる平板状基材と、
前記平板状基材に形成された、マイクロ波を放射する複数の細長形状の貫通開口と、
を備え、
前記貫通開口は、前記平面アンテナ部材の中心にその中心が重なる円周上に配列された複数の第１の貫通開口と、前記第１の貫通開口の外側に同心円状に配列された複数の第２の貫通開口と、を含んでおり、
前記平面アンテナ部材の中心から前記第１の貫通開口の中心までの距離Ｌ１と、前記平面アンテナ部材の半径ｒとの比Ｌ１／ｒが０．３５〜０．５の範囲内であり、かつ、前記平面アンテナ部材の中心から前記第２の貫通開口の中心までの距離Ｌ２と、前記平面アンテナ部材の半径ｒと比Ｌ２／ｒが０．７〜０．８５の範囲内であるとともに、
前記平面アンテナ部材の中心と前記第１の貫通開口の中心とを結ぶ直線に対して、該第１の貫通開口の長手方向がなす角度が９０°〜１０５°の範囲内であり、かつ、前記平面アンテナ部材の中心と前記第２の貫通開口の中心とを結ぶ直線に対して、該第２の貫通開口の長手方向がなす角度が７５°〜８５°の範囲内であり、
前記平面アンテナ部材の面内における前記第１の貫通開口および前記第２の貫通開口の合計の開口面積の比率が１５〜２０％の範囲内であることを特徴とする平面アンテナ部材。
【請求項２】
前記距離Ｌ１を半径とし、前記第１の貫通開口の中心を結ぶ第１の円および前記距離Ｌ２を半径とし、前記第２の貫通開口の中心を結ぶ第２の円に対して同心円状に形成され、前記第１の円と前記第２の円との径方向の中間点を結ぶ第３の円は、その半径Ｌ３と前記半径ｒとの比Ｌ３／ｒが、０．５〜０．７の範囲内であることを特徴とする請求項１に記載の平面アンテナ部材。
【請求項３】
前記距離Ｌ２と前記距離Ｌ１との差分（Ｌ２−Ｌ１）と、前記平面アンテナ部材の半径ｒとの比（Ｌ２−Ｌ１）／ｒが０．２〜０．５の範囲内であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の平面アンテナ部材。
【請求項４】
前記第１の貫通開口の長手方向に対して、前記第２の貫通開口の長手方向のなす角度が８５°〜９５°の範囲内であることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の平面アンテナ部材。
【請求項５】
前記平面アンテナ部材の中心から前記第１の貫通開口の中心までを結ぶ直線と、前記平面アンテナ部材の中心から前記第２の貫通開口の中心までを結ぶ直線とのなす角度が、６０°〜８０°の範囲内であることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の平面アンテナ部材。
【請求項６】
前記マイクロ波発生源で発生したマイクロ波の周波数が、８００〜１０００ＭＨｚの範囲内であることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の平面アンテナ部材。
【請求項７】
被処理体を収容する真空引き可能な処理容器と、
前記処理容器内にガスを導入するガス導入部と、
前記処理容器内を減圧排気する排気装置と、
前記処理容器の上部の開口に気密に装着され、プラズマ発生用のマイクロ波を透過させる透過板と、
前記透過板の上に配置され、前記マイクロ波を前記処理容器内に導入する平面アンテナ部材と、
前記平面アンテナ部材を上方から覆うカバー部材と、
前記カバー部材を貫通して設けられ、マイクロ波発生源で発生した８００〜１０００ＭＨｚの範囲内のマイクロ波を前記平面アンテナ部材へ供給する導波管と、
を備えたプラズマ処理装置であって、
前記平面アンテナ部材は、導電性材料からなる平板状基材と、前記平板状基材に形成された、マイクロ波を放射する複数の細長形状の貫通開口と、を備え、
前記貫通開口は、環状に配列された複数の第１の貫通開口と、前記第１の貫通開口の外側に同心円状に配列された複数の第２の貫通開口と、を含んでおり、
前記平面アンテナ部材の中心から前記第１の貫通開口の中心までの距離Ｌ１と、前記平面アンテナ部材の半径ｒとの比Ｌ１／ｒが０．３５〜０．５の範囲内であり、かつ、前記平面アンテナ部材の中心から前記第２の貫通開口の中心までの距離Ｌ２と、前記平面アンテナ部材の半径ｒと比Ｌ２／ｒが０．７〜０．８５の範囲内であるともに、
前記平面アンテナ部材の中心と前記第１の貫通開口の中心とを結ぶ直線に対して、該第１の貫通開口の長手方向がなす角度が９０°〜１０５°の範囲内であり、かつ、前記平面アンテナ部材の中心と前記第２の貫通開口の中心とを結ぶ直線に対して、該第２の貫通開口の長手方向がなす角度が７５°〜８５°の範囲内であり、
前記平面アンテナ部材の面内における前記第１の貫通開口および前記第２の貫通開口の合計の開口面積の比率が１５〜２０％の範囲内であることを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項８】
前記距離Ｌ１を半径とし、前記第１の貫通開口の中心を結ぶ第１の円および前記距離Ｌ２を半径とし、前記第２の貫通開口の中心を結ぶ第２の円に対して同心円状に形成され、前記第１の円と前記第２の円との径方向の中間点を結ぶ第３の円は、その半径Ｌ３と前記半径ｒとの比Ｌ３／ｒが０．５〜０．７の範囲内であることを特徴とする請求項７に記載のプラズマ処理装置。
【請求項９】
前記距離Ｌ２と前記距離Ｌ１との差分（Ｌ２−Ｌ１）と、前記平面アンテナ部材の半径ｒと比（Ｌ２−Ｌ１）／ｒが０．２〜０．５の範囲内であることを特徴とする請求項９または請求項８に記載のプラズマ処理装置。
【請求項１０】
前記第１の貫通開口の長手方向に対して、前記第２の貫通開口の長手方向のなす角度が８５°〜９５°の範囲内であることを特徴とする請求項７から請求項９のいずれか１項に記載のプラズマ処理装置。
【請求項１１】
前記平面アンテナ部材の中心から前記第１の貫通開口の中心までを結ぶ直線と、前記平面アンテナ部材の中心から前記第２の貫通開口の中心までを結ぶ直線とのなす角度が、６０°〜８０°の範囲内であることを特徴とする請求項７から請求項１０のいずれか１項に記載のプラズマ処理装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２０１１−２９４１６（Ｐ２０１１−２９４１６Ａ）
【公開日】平成２３年２月１０日（２０１１．２．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１７３８１１（Ｐ２００９−１７３８１１）
【出願日】平成２１年７月２７日（２００９．７．２７）
【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２３年２月１０日（２０１１．２．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年７月２７日（２００９．７．２７）
【出願人】（０００２１９９６７）東京エレクトロン株式会社 (5,184)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]