(57)【要約】      （修正有）【課題】処理容器の長手方向に沿った電界強度の均一性を向上できる技術を提供する。【解決手段】本開示の一態様によるプラズマ処理装置は、円筒体状の処理容器と、前記処理容器の長手方向に沿って対向配置された一対のプラズマ電極３３と、前記一対のプラズマ電極３３に高周波電力を供給する高周波電源と、を備え、前記プラズマ電極において、前記高周波電力が供給される給電位置から離れた位置の電極間距離Ｌ４１が、前記給電位置の電極間距離Ｌ４２より長い。【選択図】図４
2020198295.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
円筒体状の処理容器と、
前記処理容器の長手方向に沿って対向配置された一対のプラズマ電極と、
前記一対のプラズマ電極に高周波電力を供給する高周波電源と、
を備え、
前記プラズマ電極において、前記高周波電力が供給される給電位置から離れた位置の電極間距離が、前記給電位置の電極間距離より長い、
プラズマ処理装置。
【請求項２】
前記一対のプラズマ電極は、それぞれ平板形状を有し、前記給電位置から離れた位置の厚さが前記給電位置の厚さより薄い、
請求項１に記載のプラズマ処理装置。
【請求項３】
前記一対のプラズマ電極は、それぞれ平板形状を有し、前記給電位置から離れるにつれて互いに離間するように配置されている、
請求項１又は２に記載のプラズマ処理装置。
【請求項４】
前記一対のプラズマ電極は、平面視で長辺と短辺とを含む矩形をなしており、
前記給電位置は、前記矩形の短辺の側部である、
請求項１乃至３のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。
【請求項５】
前記処理容器の長手方向に沿って形成された開口を覆うプラズマ区画壁を更に備え、
前記一対のプラズマ電極は、前記プラズマ区画壁の両側の壁の外面に配置されている、
請求項１乃至４のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。
【請求項６】
前記一対のプラズマ電極は、前記プラズマ区画壁を挟んで対称に配置されている、
請求項５に記載のプラズマ処理装置。
【請求項７】
前記一対のプラズマ電極は、前記処理容器内に配置されている、
請求項１乃至４のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。
【請求項８】
円筒体状の処理容器と、
前記処理容器の長手方向に沿って対向配置された一対のプラズマ電極と、
前記一対のプラズマ電極に高周波電力を供給する高周波電源と、
を備え、
前記一対のプラズマ電極の電極間であって、少なくとも前記処理容器の長手方向において給電位置から近い位置に比誘電率が１より大きい誘電体が設けられている、
プラズマ処理装置。
【請求項９】
前記誘電体は、前記給電位置から離れた位置の厚さが前記給電位置の厚さより薄い、
請求項８に記載のプラズマ処理装置。
【請求項１０】
前記誘電体は、前記給電位置から離れた位置の比誘電率が前記給電位置の比誘電率より低い、
請求項８又は９に記載のプラズマ処理装置。
【請求項１１】
前記処理容器の長手方向に沿って形成された開口を覆うプラズマ区画壁を更に備え、
前記一対のプラズマ電極は、前記プラズマ区画壁の両側の壁の外面に配置されており、
前記プラズマ電極と前記プラズマ区画壁との間に前記誘電体が設けられている、
請求項８乃至１０のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。
【請求項１２】
前記処理容器は、長手方向に沿って間隔を有して複数の基板を収容する、
請求項１乃至１１のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。
【請求項１３】
円筒体状の処理容器と、
前記処理容器の長手方向に沿って対向配置された一対のプラズマ電極と、
前記一対のプラズマ電極に高周波電力を供給する高周波電源と、
を備え、
前記一対のプラズマ電極の電極間であって、少なくとも前記処理容器の長手方向において給電位置から近い位置でのプラズマ電極間の電気長が、前記給電位置から離れた位置でのプラズマ電極間の電極長よりも短い、
プラズマ処理装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、プラズマ処理装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
上下方向に間隔を有して略水平に複数の基板を収容した処理容器内で、複数の基板に対して一括でプラズマ処理を施すように構成されたプラズマ処理装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−２５８５８０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本開示は、処理容器の長手方向に沿った電界強度の均一性を向上できる技術を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本開示の一態様によるプラズマ処理装置は、円筒体状の処理容器と、前記処理容器の長手方向に沿って対向配置された一対のプラズマ電極と、前記一対のプラズマ電極に高周波電力を供給する高周波電源と、を備え、前記プラズマ電極において、前記高周波電力が供給される給電位置から離れた位置の電極間距離が、前記給電位置の電極間距離より長い。
【発明の効果】
【０００６】
本開示によれば、処理容器の長手方向に沿った電界強度の均一性を向上できる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】第１の実施形態のプラズマ処理装置の断面図
【図２】図１のプラズマ処理装置のプラズマ生成機構を説明するための断面図
【図３】図１のプラズマ処理装置のプラズマ生成機構を説明するための斜視図
【図４】プラズマ生成機構のプラズマ電極の説明図
【図５】第２の実施形態のプラズマ処理装置のプラズマ電極の説明図
【図６】第３の実施形態のプラズマ処理装置のプラズマ電極の説明図
【図７】プラズマ電極の下端からの距離とイオンシース電圧との関係の説明図
【図８】第４の実施形態のプラズマ処理装置のプラズマ電極の説明図
【図９】プラズマ電極の下端からの距離とイオンシース電圧との関係の説明図
【図１０】第５の実施形態のプラズマ処理装置のプラズマ電極の説明図
【図１１】プラズマ電極の下端からの距離とイオンシース電圧との関係の説明図
【図１２】第６の実施形態のプラズマ処理装置のプラズマ電極の説明図
【図１３】プラズマ電極の長手方向における位置と電界強度との関係のシミュレーション結果を示す図
【発明を実施するための形態】
【０００８】
以下、添付の図面を参照しながら、本開示の限定的でない例示の実施形態について説明する。添付の全図面中、同一又は対応する部材又は部品については、同一又は対応する参照符号を付し、重複する説明を省略する。
【０００９】
〔第１の実施形態〕
第１の実施形態のプラズマ処理装置について説明する。図１は、第１の実施形態のプラズマ処理装置の断面図である。図２は、図１のプラズマ処理装置のプラズマ生成機構を説明するための断面図である。図３は、図１のプラズマ処理装置のプラズマ生成機構を説明するための斜視図である。
【００１０】
プラズマ処理装置１００は、上下方向を長手方向とする処理容器１を有する。処理容器１は、下端が開口された有天井の円筒体状を有する。処理容器１の全体は、例えば石英により形成されている。処理容器１内の上端近傍には、石英により形成された天井板２が設けられており、天井板２の下側の領域が封止されている。処理容器１の下端の開口には、円筒体状に成形された金属製のマニホールド３がＯリング等のシール部材４を介して連結されている。
【００１１】
マニホールド３は、処理容器１の下端を支持しており、マニホールド３の下方から基板として多数枚（例えば２５〜１５０枚）の半導体ウエハ（以下「ウエハＷ」という。）を多段に載置したウエハボート５が処理容器１内に挿入される。このように処理容器１内には、上下方向に沿って間隔を有して多数枚のウエハＷが略水平に収容される。ウエハボート５は、例えば石英により形成されている。ウエハボート５は、３本のロッド６を有し（図２参照）、ロッド６に形成された溝（図示せず）により多数枚のウエハＷが支持される。
【００１２】
ウエハボート５は、石英により形成された保温筒７を介してテーブル８上に載置されている。テーブル８は、マニホールド３の下端の開口を開閉する金属（ステンレス）製の蓋体９を貫通する回転軸１０上に支持される。
【００１３】
回転軸１０の貫通部には、磁性流体シール１１が設けられており、回転軸１０を気密に封止し、且つ回転可能に支持している。蓋体９の周辺部とマニホールド３の下端との間には、処理容器１内の気密性を保持するためのシール部材１２が設けられている。
【００１４】
回転軸１０は、例えばボートエレベータ等の昇降機構（図示せず）に支持されたアーム１３の先端に取り付けられており、ウエハボート５と蓋体９とは一体として昇降し、処理容器１内に対して挿脱される。なお、テーブル８を蓋体９側へ固定して設け、ウエハボート５を回転させることなくウエハＷの処理を行うようにしてもよい。
【００１５】
また、プラズマ処理装置１００は、処理容器１内へ処理ガス、パージガス等の所定のガスを供給するガス供給部２０を有する。
【００１６】
ガス供給部２０は、ガス供給管２１，２２，２３，２４を有する。ガス供給管２１，２２，２３は、例えば石英により形成されており、マニホールド３の側壁を内側へ貫通して上方へ屈曲されて垂直に延びる。ガス供給管２１，２２，２３の垂直部分には、ウエハボート５のウエハ支持範囲に対応する上下方向の長さに亘って、それぞれ複数のガス孔２１ａ，２２ａ，２３ａが所定間隔で形成されている。各ガス孔２１ａ，２２ａ，２３ａは、水平方向にガスを吐出する。ガス供給管２４は、例えば石英により形成されており、マニホールド３の側壁を貫通して設けられた短い石英管からなる。なお、図示の例では、ガス供給管２１は２本、ガス供給管２２，２３，２４はそれぞれ１本設けられている。
【００１７】
ガス供給管２１は、その垂直部分が処理容器１内に設けられている。ガス供給管２１には、ガス配管を介して原料ガス供給源から成膜原料を含むガス（以下「原料ガス」という。）が供給される。ガス配管には、流量制御器及び開閉弁が設けられている。これにより、原料ガス供給源からの原料ガスは、ガス配管及びガス供給管２１を介して処理容器１内に供給される。原料ガスとしては、例えばジクロロシラン（ＤＣＳ；ＳｉＨ２Ｃｌ２）、モノクロロシラン（ＭＣＳ；ＳｉＨ３Ｃｌ）、トリクロロシラン（ＴＣＳ；ＳｉＨＣｌ３）、シリコンテトラクロライド（ＳＴＣ；ＳｉＣｌ４）、ヘキサクロロジシラン（ＨＣＤ；Ｓｉ２Ｃｌ６）等の塩素（Ｃｌ）を含有するシリコン（Ｓｉ）化合物を利用できる。
【００１８】
ガス供給管２２は、その垂直部分が後述するプラズマ生成空間に設けられている。ガス供給管２２には、ガス配管を介して水素ガス供給源から水素（Ｈ２）ガスが供給される。ガス配管には、流量制御器及び開閉弁が設けられている。これにより、水素ガス供給源からのＨ２ガスは、ガス配管及びガス供給管２２を介してプラズマ生成空間に供給され、プラズマ生成空間においてプラズマ化されて処理容器１内に供給される。
【００１９】
ガス供給管２３は、その垂直部分が後述するプラズマ生成空間に設けられている。ガス供給管２３には、ガス配管を介して窒化ガス供給源から窒化ガスが供給される。ガス配管には、流量制御器及び開閉弁が設けられている。これにより、窒化ガス供給源からのＨ２ガスは、ガス配管及びガス供給管２３を介してプラズマ生成空間に供給され、プラズマ生成空間においてプラズマ化されて処理容器１内に供給される。窒化ガスとしては、例えばアンモニア（ＮＨ３）、窒素（Ｎ２）、ジアゼン（Ｎ２Ｈ２）、ヒドラジン（Ｎ２Ｈ４）、モノメチルヒドラジン（ＣＨ３（ＮＨ）ＮＨ２）などの有機ヒドラジン化合物を利用できる。
【００２０】
ガス供給管２４には、ガス配管を介してパージガス供給源からパージガスが供給される。ガス配管には、流量制御器及び開閉弁が設けられている。これにより、パージガス供給源からのパージガスは、ガス配管及びガス供給管２４を介して処理容器１内に供給される。パージガスとしては、例えばアルゴン（Ａｒ）、窒素（Ｎ２）等の不活性ガスを利用できる。なお、パージガスがパージガス供給源からガス配管及びガス供給管２４を介して処理容器１内に供給される場合を説明したが、これに限定されず、パージガスはガス供給管２１、２２、２３のいずれから供給されてもよい。
【００２１】
処理容器１の側壁の一部には、プラズマ生成機構３０が形成されている。プラズマ生成機構３０は、窒化ガスをプラズマ化して窒化のための活性種を生成し、さらにＨ２ガスをプラズマ化して水素（Ｈ）ラジカルを生成する。
【００２２】
プラズマ生成機構３０は、プラズマ区画壁３２と、一対のプラズマ電極３３と、給電ライン３４と、高周波電源３５と、絶縁保護カバー３６と、を備える。
【００２３】
プラズマ区画壁３２は、処理容器１の外壁に気密に溶接されている。プラズマ区画壁３２は、例えば石英により形成される。プラズマ区画壁３２は断面凹状をなし、処理容器１の側壁に形成された開口３１を覆う。開口３１は、ウエハボート５に支持されている全てのウエハＷを上下方向にカバーできるように、上下方向に細長く形成される。プラズマ区画壁３２により規定されると共に処理容器１内と連通する内側空間、すなわち、プラズマ生成空間には、Ｈ２ガスを吐出するためのガス供給管２２及び窒化ガスを吐出するためのガス供給管２３が配置されている。なお、原料ガスを吐出するためのガス供給管２１は、プラズマ生成空間の外の処理容器１の内側壁に沿ったウエハＷに近い位置に設けられている。図示の例では、開口３１を挟む位置に２本のガス供給管２１が配置されているが、これに限定されず、例えば２本のガス供給管２１の一方のみが配置されていてもよい。
【００２４】
一対のプラズマ電極３３は、それぞれ細長い形状を有し、プラズマ区画壁３２の両側の壁の外面に、上下方向に沿って対向配置されている。各プラズマ電極３３は、例えばプラズマ区画壁３２の側面に設けられた保持部３２ａによって保持されている。各プラズマ電極３３の下端には、給電ライン３４が接続されている。以下、プラズマ電極３３と給電ライン３４とが接続された下端位置を給電位置とも称する。
【００２５】
図４は、プラズマ生成機構３０のプラズマ電極３３の説明図である。一対のプラズマ電極３３は、それぞれ平面視で長辺と短辺とを含む矩形をなす平板形状を有し、プラズマ区画壁３２を挟んで対称に配置されている。各プラズマ電極３３は、上端位置の電極間距離Ｌ４１が給電位置の電極間距離Ｌ４２より長くなるように、上端位置の厚さＴ４１が給電位置の厚さＴ４２より薄くなるように形成されている。図４の例では、各プラズマ電極３３は、給電位置から上端位置に近づくほど、プラズマ区画壁３２との隙間が大きくなるように傾斜する形状に加工されている。ただし、各プラズマ電極３３は、上端位置の電極間距離Ｌ４１が給電位置の電極間距離Ｌ４２より長くなっていればよく、例えば給電位置から上端位置に近づくほどプラズマ区画壁３２との隙間が大きくなるように階段状に加工されていてもよい。
【００２６】
上端位置における一方のプラズマ電極３３とプラズマ区画壁３２との隙間の幅Ｗ１と他方のプラズマ電極３３とプラズマ区画壁３２との隙間の幅Ｗ２の合計は、例えば上端位置の電極間距離Ｌ４１に対して１０〜２０％であってよい。
【００２７】
給電ライン３４は、各プラズマ電極３３と高周波電源３５とを電気的に接続する。図示の例では、給電ライン３４は、一端が各プラズマ電極３３の短辺の側部である下端に接続されており、他端が高周波電源３５と接続されている。
【００２８】
高周波電源３５は、各プラズマ電極３３の下端に給電ライン３４を介して接続され、一対のプラズマ電極３３に例えば１３．５６ＭＨｚの高周波電力を供給する。これにより、プラズマ区画壁３２により規定されたプラズマ生成空間内に、高周波電力が印加される。ガス供給管２２から吐出されたＨ２ガスは、高周波電力が印加されたプラズマ生成空間内においてプラズマ化され、これにより生成された水素ラジカルが開口３１を介して処理容器１の内部へと供給される。また、ガス供給管２３から吐出された窒化ガスは、高周波電力が印加されたプラズマ生成空間内においてプラズマ化され、これにより生成された窒化のための活性種が開口３１を介して処理容器１の内部へと供給される。
【００２９】
絶縁保護カバー３６は、プラズマ区画壁３２の外側に、該プラズマ区画壁３２を覆うようにして取り付けられている。絶縁保護カバー３６の内側部分には、冷媒通路（図示せず）が設けられており、冷媒通路に冷却された窒素（Ｎ２）ガス等の冷媒を流すことによりプラズマ電極３３が冷却される。また、プラズマ電極３３と絶縁保護カバー３６との間に、プラズマ電極３３を覆うようにシールド（図示せず）が設けられていてもよい。シールドは、例えば金属等の良導体により形成され、接地される。
【００３０】
開口３１に対向する処理容器１の側壁部分には、処理容器１内を真空排気するための排気口４０が設けられている。排気口４０は、ウエハボート５に対応して上下に細長く形成されている。処理容器１の排気口４０に対応する部分には、排気口４０を覆うように断面Ｕ字状に成形された排気口カバー部材４１が取り付けられている。排気口カバー部材４１は、処理容器１の側壁に沿って上方に延びている。排気口カバー部材４１の下部には、排気口４０を介して処理容器１を排気するための排気管４２が接続されている。排気管４２には、処理容器１内の圧力を制御する圧力制御バルブ４３及び真空ポンプ等を含む排気装置４４が接続されており、排気装置４４により排気管４２を介して処理容器１内が排気される。
【００３１】
また、処理容器１の外周を囲むようにして処理容器１及びその内部のウエハＷを加熱する円筒体状の加熱機構５０が設けられている。
【００３２】
また、プラズマ処理装置１００は、制御部６０を有する。制御部６０は、例えばプラズマ処理装置１００の各部の動作の制御、例えば開閉弁の開閉による各ガスの供給・停止、流量制御器によるガス流量の制御、排気装置４４による排気制御を行う。また、制御部６０は、例えば高周波電源３５による高周波電力のオン・オフ制御、加熱機構５０によるウエハＷの温度の制御を行う。
【００３３】
制御部６０は、例えばコンピュータ等であってよい。また、プラズマ処理装置１００の各部の動作を行うコンピュータのプログラムは、記憶媒体に記憶されている。記憶媒体は、例えばフレキシブルディスク、コンパクトディスク、ハードディスク、フラッシュメモリ、ＤＶＤ等であってよい。
【００３４】
次に、プラズマ処理装置１００により実施される成膜方法の一例について説明する。以下では、原料ガスとしてＤＣＳガス、窒化ガスとしてＮＨ３ガス、パージガスとしてＮ２ガスを用いた例について示す。
【００３５】
まず、処理容器１内の温度を３００〜６３０℃にし、２５〜１７５枚のウエハＷが搭載されたウエハボート５を処理容器１内に搬入し、排気装置４４により処理容器１内を排気しながら、処理容器１内を１５〜７０Ｐａに調圧する。
【００３６】
この状態で、パージ工程（ステップＳ１）、原料ガス供給工程（ステップＳ２）、水素ラジカルパージ工程（ステップＳ３）、パージ工程（ステップＳ４）、窒化ガス供給工程（ステップＳ５）を所定回数繰り返し、所定膜厚のＳｉＮ膜を成膜する。
【００３７】
ステップＳ１及びステップＳ４のパージ工程では、排気装置４４により処理容器１内を排気しながら、パージガス供給源から処理容器１内にパージガスとしてＮ２ガスを供給することにより行われる。これにより、処理容器１内の雰囲気をＮ２ガスに置換する。ステップＳ１の好適な条件は、Ｎ２ガス流量：５００〜２０００ｓｃｃｍ、時間：１〜１０秒である。
【００３８】
ステップＳ２の原料ガス供給工程では、原料ガス供給源から処理容器１内に原料ガスとしてＤＣＳガスを供給して、ウエハＷの表面にＳｉを吸着させる。ステップＳ２の好適な条件は、ＤＣＳガス流量：１０００〜３０００ｓｃｃｍ、時間：１〜１０秒である。
【００３９】
ステップＳ３の水素ラジカルパージ工程では、処理容器１内を排気しながら、水素ガス供給源から処理容器１内にＨ２ガスを供給し、プラズマ生成機構３０によりＨ２ガスをプラズマ化して水素ラジカルを生成する。そして、ステップＳ２により吸着されたＳｉに水素ラジカルを作用させる。ステップＳ３の好適な条件は、高周波電力：５０〜３００Ｗ、Ｈ２ガス流量：５００〜５０００ｓｃｃｍ、時間：５〜１００秒である。
【００４０】
ステップＳ５の窒化ガス供給工程では、窒化ガス供給源から処理容器１内に窒化ガスとしてＮＨ３ガスを供給し、プラズマ生成機構３０によりＮＨ３ガスをプラズマ化して窒化のための活性種を生成し、ステップＳ２により吸着されたＳｉを窒化する。ステップＳ５の好適な条件は、高周波電力：３０〜３００Ｗ、ＮＨ３ガス流量：２０００〜７０００ｓｃｃｍ、時間：８〜３０秒である。
【００４１】
なお、ステップＳ３の水素ラジカルパージ工程とステップＳ４のパージ工程の順序は入れ替えてもよい。
【００４２】
次に、プラズマ処理装置１００の作用・効果について説明する。従来のプラズマ処理装置では、プラズマ電極３３の下端から高周波電力を印加する場合、給電位置である下端位置から離れた上端位置は開放端になっていた。そのため、プラズマ電極の面内における電界強度の分布は、下端位置から開放端の上端位置へ向けて電界強度が大きくなるような分布（以下「開放端効果」ともいう。）を示していた。プラズマ電極の面内における電界強度の分布が上記のような分布を有する場合、成膜時にプラズマ生成空間から発生するパーティクルは、プラズマ生成空間の上部側で多く、下部側で少なくなる傾向を示した。すなわち、パーティクルの発生量とプラズマ電極の面内における電界強度との間に相関関係が見られた。プラズマ電極の面内における電界が大きくなると、プラズマとプラズマ区画壁３２との間に生成するイオンシースに生じる電位差も大きくなり、この電圧で加速されるイオンによる壁表面へのダメージが増加するためと考えられる。
【００４３】
一方、第１の実施形態のプラズマ処理装置１００では、上端位置の電極間距離Ｌ４１が下端位置の電極間距離Ｌ４２より長くなるように、上端位置の厚さＴ４１が給電位置の厚さＴ４２より薄くなるように各プラズマ電極３３が形成されている。これにより、開放端効果が抑制されて、処理容器１の長手方向に沿った電界強度の均一性が向上する。また、上端位置における電界強度が小さくなり、プラズマ生成空間の上部側で発生するパーティクルの量を低減できる。
【００４４】
〔第２の実施形態〕
第２の実施形態のプラズマ処理装置について説明する。第２の実施形態のプラズマ処理装置は、一対のプラズマ電極が給電位置から離れるにつれて互いに離間するように配置されている点で、第１の実施形態のプラズマ処理装置１００と異なる。なお、その他の点については、第１の実施形態のプラズマ処理装置１００と同様であるので、以下では異なる点を中心に説明する。
【００４５】
図５は、第２の実施形態のプラズマ処理装置のプラズマ電極の説明図である。図５に示されるように、一対のプラズマ電極３３Ａは、それぞれ平面視で長辺と短辺とを含む矩形をなす平板形状を有し、プラズマ区画壁３２を挟んで対称に配置されている。各プラズマ電極３３Ａは、上端位置の電極間距離Ｌ５１が給電位置の電極間距離Ｌ５２より長くなるように、給電位置からの距離が長くなることで電極間の距離も広がるように配置されている。図５の例では、各プラズマ電極３３Ａは、面内の厚みが同一又は略同一であり、給電位置から上端位置に近づくほど、プラズマ区画壁３２との隙間が大きくなるように傾斜して配置されている。
【００４６】
第２の実施形態のプラズマ処理装置では、上端位置の電極間距離Ｌ５１が下端位置（給電位置）の電極間距離Ｌ５２より長くなるように、給電位置からの距離が長くなることで電極間の距離も広がるように一対のプラズマ電極３３Ａが配置されている。これにより、開放端効果が抑制されて、処理容器１の長手方向に沿った電界強度の均一性が向上する。また、上端位置における電界強度が小さくなり、プラズマ生成空間の上部側で発生するパーティクルの量を低減できる。
【００４７】
〔第３の実施形態〕
第３の実施形態のプラズマ処理装置について説明する。第３の実施形態のプラズマ処理装置は、各プラズマ電極がプラズマ区画壁から隙間を空けて配置され、隙間の下部側に誘電体が設けられている点で、第１の実施形態のプラズマ処理装置１００と異なる。なお、その他の点については、第１の実施形態のプラズマ処理装置１００と同様であるので、以下では異なる点を中心に説明する。
【００４８】
図６は、第３の実施形態のプラズマ処理装置のプラズマ電極の説明図である。図６（ａ）は処理容器及びプラズマ生成機構を説明するための横断面を示し、図６（ｂ）は図６（ａ）における一点鎖線６Ｂ−６Ｂにおいて切断した断面を示す。
【００４９】
図６（ａ）及び図６（ｂ）に示されるように、各プラズマ電極３３Ｂは、プラズマ区画壁３２から隙間を空けて配置されている。隙間の下部側には、誘電体３７が設けられている。一方、隙間の上部側には、誘電体３７が設けられていない。誘電体３７としては、比誘電率が１より大きい材料であればよく、例えば高純度アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、イットリア（Ｙ２Ｏ３）、フォルステライト（Ｍｇ２ＳｉＯ４）、ムライト（３Ａｌ２Ｏ３・２ＳｉＯ２）等の高誘電率誘電体を好適に利用できる。
【００５０】
ところで、一対のプラズマ電極の電極間の静電容量をＣ１、Ｃ１に相当する誘電率及びその厚さをそれぞれε１、ｄ１、誘電体の面積をＡ１とする。また、一対のプラズマ電極に印加される高周波電力をＰ、高周波の電源角周波数をω、電極間に流れる電流をＩ１＝ωＣ１Ｖ０ｃｏｓωｔ、電極間電圧をＶ１＝Ｖ０ｓｉｎωｔとすると、以下の（１）式で表される関係が成り立つ。
【００５１】
【数１】
2020198295.tif 000003
【００５２】
いま両側のプラズマ電極３３Ｂとプラズマ区画壁３２との間に隙間があり、その隙間の静電容量をＣｂ、Ｃｂに相当する誘電率およびその厚さをそれぞれεｂ、ｄｂ、誘電体の面積をＡ１とする。同様に、両側のプラズマ区画壁３２（石英ガラス壁）の静電容量をＣｑ、Ｃｑに相当する誘電率およびその厚さをそれぞれεｑ、ｄｑ、プラズマ中に生成するイオンシースを誘電体とみなし、その静電容量をＣｓ、Ｃｓに相当する誘電率およびその厚さをそれぞれεs、ｄｓとする。電極間の総静電容量Ｃ１は直列に接続されたＣｂ、Ｃｑ、Ｃｓで構成されていているとすれば、総静電容量Ｃ１は以下の（２）式で表される。
【００５３】
【数２】
2020198295.tif 000004
【００５４】
（２）式を（１）式に代入すると、電極に印加される高周波電力Ｐは以下に示される（３）式となる。
【００５５】
【数３】
2020198295.tif 000005
【００５６】
両側の電極とプラズマボックス壁間の電圧の合計をＶｂ、両側の石英ガラス壁にかかる電圧をＶｑ、イオンシースにかかる電圧をＶｓとすると、Ｖ０＝Ｖｂ＋Ｖｑ＋Ｖｓとなる。
【００５７】
また、ＶｓとＶ０の関係は以下の（４）式で表される。
【００５８】
【数４】
2020198295.tif 000006
【００５９】
（４）式を（３）式に代入すれば、高周波電力Ｐは以下の（５）式のように表される。
【００６０】
【数５】
2020198295.tif 000007
【００６１】
（５）式において、プラズマ電極に印加される高周波電力Ｐが一定ならばＶ０も一定であるから、プラズマ電極３３Ｂとプラズマ区画壁３２間距離ｄｂが大きくなると、Ｖｓは小さくなる。また、プラズマ電極３３Ｂとプラズマ区画壁間３２の誘電率εｂが小さいほど、Ｖｓは小さくなる。
【００６２】
図７は、プラズマ電極３３Ｂの下端からの距離Ｘとイオンシースに発生する電圧（以下「イオンシース電圧」と記す）Ｖｓ（最大値）との関係の説明図である。図７中、横軸はプラズマ電極３３Ｂの下端からの距離Ｘを示し、縦軸はイオンシース電圧Ｖｓを示す。また、図７中、一点鎖線は各プラズマ電極３３Ｂとプラズマ区画壁３２との隙間の下部側に誘電体３７が設けられている場合のイオンシース電圧Ｖｓを示し、破線は該隙間に誘電体３７が設けられていない場合のイオンシース電圧Ｖｓを示す。実線は各プラズマ電極３３Ｂとプラズマ区画壁３２との隙間の下部側に誘電体３７が設けられている場合で、高周波電力をやや低減してイオンシース電圧Ｖｓを平均化した場合を示す。
【００６３】
第３の実施形態のプラズマ処理装置では、各プラズマ電極３３Ｂがプラズマ区画壁３２から隙間を空けて配置されており、隙間の下部側には誘電体３７が設けられ、隙間の上部側には誘電体３７が設けられていない。これにより、図７の一点鎖線で示されるように、開放端効果が抑制されて、処理容器１の長手方向に沿ったイオンシース電圧Ｖｓの均一性が向上する。さらに、プラズマ電極３３Ｂに印加する高周波電力をやや小さく調整すれば、図７の実線で示されるように、上端位置におけるイオンシース電圧Ｖｓが小さくなり、プラズマ生成空間の上部側で発生するパーティクルの量を低減できる。
【００６４】
一方、図７の破線で示されるように、各プラズマ電極３３Ｂとプラズマ区画壁３２との隙間に誘電体３７が設けられていない場合、プラズマ電極の面内における電界強度の分布は、下端位置から開放端の上端位置へ向けて電界強度が大きくなるため、プラズマ電極上端側でのイオンシース電圧Ｖｓも大きくなりプラズマ生成空間の上部側で発生するパーティクルの量が増加する。
【００６５】
〔第４の実施形態〕
第４の実施形態のプラズマ処理装置について説明する。第４の実施形態のプラズマ処理装置は、各プラズマ電極がプラズマ区画壁から隙間を空けて配置され、隙間に下部側から上部側へ向けて厚さが薄くなる誘電体が設けられている点で、第１の実施形態のプラズマ処理装置１００と異なる。なお、その他の点については、第１の実施形態のプラズマ処理装置１００と同様であるので、以下では異なる点を中心に説明する。
【００６６】
図８は、第４の実施形態のプラズマ処理装置のプラズマ電極の説明図である。図８（ａ）は処理容器及びプラズマ生成機構を説明するための横断面を示し、図８（ｂ）は図８（ａ）における一点鎖線８Ｂ−８Ｂにおいて切断した断面を示す。
【００６７】
図８（ａ）及び図８（ｂ）に示されるように、各プラズマ電極３３Ｃは、プラズマ区画壁３２から隙間を空けて配置されている。隙間には、下部側から上部側へ向けて厚さが薄くなる誘電体３７Ｃが設けられている。図８（ａ）及び図８（ｂ）の例では、誘電体３７Ｃは、下部側から上部側へ向けて厚さが薄くなるように傾斜する形状に加工されている。ただし、誘電体３７Ｃは、上部側が下部側より薄くなるように形成されていればよく、例えば下部側から上部側に近づくほど、厚さが薄くなるように階段状に加工されていてもよい。
【００６８】
図９は、プラズマ電極３３Ｃの下端からの距離Ｘとイオンシース電圧Ｖｓとの関係の説明図である。図９中、横軸はプラズマ電極３３Ｃの下端からの距離Ｘを示し、縦軸はイオンシース電圧Ｖｓを示す。また、図９中、一点鎖線は各プラズマ電極３３Ｃとプラズマ区画壁３２との隙間に誘電体３７Ｃが設けられている場合のイオンシース電圧Ｖｓを示し、破線は該隙間に誘電体３７Ｃが設けられていない場合のイオンシース電圧Ｖｓを示す。実線は各プラズマ電極３３Ｃとプラズマ区画壁３２との隙間に誘電体３７Ｃが設けられている場合で、高周波電力をやや低減してイオンシース電圧Ｖｓを平均化した場合を示す。
【００６９】
第４の実施形態のプラズマ処理装置では、各プラズマ電極３３Ｃがプラズマ区画壁３２から隙間を空けて配置されており、隙間に下部側から上部側へ向けて厚さが薄くなる誘電体３７Ｃが設けられている。これにより、図９の一点鎖線で示されるように、開放端効果が抑制されて、処理容器１の長手方向に沿ったイオンシース電圧Ｖｓの均一性が向上する。さらに、プラズマ電極３３Ｃに印加する高周波電力をやや小さく調整すれば、図９の実線で示されるように、上端位置におけるイオンシース電圧Ｖsが小さくなり、プラズマ生成空間の上部側で発生するパーティクルの量を低減できる。
【００７０】
一方、図９の破線で示されるように、各プラズマ電極３３Ｃとプラズマ区画壁３２との隙間に誘電体３７Ｃが設けられていない場合、プラズマ電極の面内における電界強度の分布は、下端位置から開放端の上端位置へ向けて電界強度が大きくなるため、プラズマ電極上端側でのイオンシース電圧Ｖｓも大きくなりプラズマ生成空間の上部側で発生するパーティクルの量が増加する。
【００７１】
〔第５の実施形態〕
第５の実施形態のプラズマ処理装置について説明する。第５の実施形態のプラズマ処理装置は、各プラズマ電極がプラズマ区画壁から隙間を空けて配置され、隙間に下部側から上部側へ向けて比誘電率が低くなる誘電体が設けられている点で、第１の実施形態のプラズマ処理装置１００と異なる。なお、その他の点については、第１の実施形態のプラズマ処理装置１００と同様であるので、以下では異なる点を中心に説明する。
【００７２】
図１０は、第５の実施形態のプラズマ処理装置のプラズマ電極の説明図である。図１０（ａ）は処理容器及びプラズマ生成機構を説明するための横断面を示し、図１０（ｂ）は図１０（ａ）における一点鎖線１０Ｂ−１０Ｂにおいて切断した断面を示す。
【００７３】
図１０（ａ）及び図１０（ｂ）に示されるように、各プラズマ電極３３Ｄは、プラズマ区画壁３２から隙間を空けて配置されている。隙間には、下部側から上部側へ向けて比誘電率が低くなる誘電体３７Ｄが設けられている。図１０（ａ）及び図１０（ｂ）の例では、誘電体３７Ｄは、下部側から上部側へ向けて比誘電率が連続的に低くなっている。ただし、誘電体３７Ｄは、下部側から上部側へ向けて比誘電率が低くなっていればよく、例えば異なる比誘電率の誘電体が組み合わされて形成されていてもよい。この場合、上部側に比誘電率の低い誘電体が配置され、下部側に比誘電率の高い誘電体が配置される。
【００７４】
図１１は、プラズマ電極３３Ｄの下端からの距離Ｘとイオンシース電圧Ｖｓとの関係の説明図である。図１１中、横軸はプラズマ電極３３Ｄの下端からの距離Ｘを示し、縦軸はイオンシース電圧Ｖｓを示す。また、図１１中、一点鎖線は各プラズマ電極３３Ｄとプラズマ区画壁３２との隙間に誘電体３７Ｄが設けられている場合のイオンシース電圧Ｖｓを示し、破線は該隙間に誘電体３７Ｄが設けられていない場合のイオンシース電圧Ｖｓを示す。実線は各プラズマ電極３３Ｄとプラズマ区画壁３２との隙間に誘電体３７Ｄが設けられている場合で、高周波電力をやや低減してイオンシース電圧Ｖｓを平均化した場合を示す。
【００７５】
第５の実施形態のプラズマ処理装置では、各プラズマ電極３３Ｄがプラズマ区画壁３２から隙間を空けて配置されており、隙間に下部側から上部側へ向けて比誘電率が低くなる誘電体３７Ｄが設けられている。これにより、図１１の一点鎖線で示されるように、開放端効果が抑制されて、処理容器１の長手方向に沿ったイオンシース電圧Ｖｓの均一性が向上する。さらに、プラズマ電極３３Ｄに印加する高周波電力をやや小さく調整すれば、図１１の実線で示されるように、上端位置におけるイオンシース電圧Ｖｓが小さくなり、プラズマ生成空間の上部側で発生するパーティクルの量を低減できる。
【００７６】
一方、図１１の破線で示されるように、各プラズマ電極３３Ｄとプラズマ区画壁３２との隙間に誘電体３７Ｄが設けられていない場合、プラズマ電極の面内における電界強度の分布は、下端位置から開放端の上端位置へ向けて電界強度が大きくなるため、プラズマ電極上端側でのイオンシース電圧Ｖｓも大きくなりプラズマ生成空間の上部側で発生するパーティクルの量が増加する。
【００７７】
〔第６の実施形態〕
第６の実施形態のプラズマ処理装置について説明する。第６の実施形態のプラズマ処理装置は、給電位置が各プラズマ電極の上下方向における中間位置である点で、第１の実施形態のプラズマ処理装置１００と異なる。なお、その他の点については、第１の実施形態のプラズマ処理装置１００と同様であるので、以下では異なる点を中心に説明する。
【００７８】
図１２は、第６の実施形態のプラズマ処理装置のプラズマ電極の説明図である。図１２に示されるように、一対のプラズマ電極３３Ｅは、それぞれ平面視で長辺と短辺とを含む矩形をなす平板形状を有し、プラズマ区画壁３２を挟んで対称に配置されている。各プラズマ電極３３Ｅは、上端位置の電極間距離Ｌ６１及び下端位置の電極間距離Ｌ６２が給電位置の電極間距離Ｌ６３より長くなるように、上端位置の厚さＴ６１及び下端位置の厚さＴ６２が給電位置の厚さＴ６３より薄くなるように形成されている。図１２の例では、各プラズマ電極３３Ｅは、給電位置から上端位置及び下端位置に近づくほど、プラズマ区画壁３２との隙間が大きくなるように傾斜する形状に加工されている。ただし、各プラズマ電極３３Ｅは、上端位置の電極間距離Ｌ６１及び下端位置の電極間距離Ｌ６２が給電位置の電極間距離Ｌ６３より長くなっていればよい。例えば、各プラズマ電極３３Ｅは、給電位置から上端位置及び下端位置に近づくほどプラズマ区画壁３２との隙間が大きくなるように階段状に加工されていてもよい。
【００７９】
給電ライン３４は、各プラズマ電極３３Ｅと高周波電源３５とを電気的に接続する。図示の例では、給電ライン３４は、一端が各プラズマ電極３３Ｅの上下方向における中間位置に接続されており、他端が高周波電源３５と接続されている。
【００８０】
第６の実施形態のプラズマ処理装置では、上端位置及び下端位置の電極間距離Ｌ６１，Ｌ６２が給電位置（中間位置）の電極間距離Ｌ６３より長くなるように、各プラズマ電極３３Ｅの上端位置及び下端位置の厚さＴ６１，Ｔ６２が給電位置の厚さＴ６３より薄い。これにより、開放端効果が抑制されて、処理容器１の長手方向に沿った電界強度の均一性が向上する。また、上端位置及び下端位置における電界強度が小さくなり、プラズマ生成空間の上部側及び下部側で発生するパーティクルの量を低減できる。
【００８１】
以上に説明したように、実施形態によれば、一対のプラズマ電極の電極間であって、少なくとも処理容器１の長手方向において給電位置から近い位置でのプラズマ電極間の電気長が、給電位置から離れた位置でのプラズマ電極間の電極長よりも短い。これにより、処理容器１の長手方向に沿った電界強度の均一性を向上できる。ここで、プラズマ電極間の電気長とは、プラズマ電極間に挟まれる、各種物質で構成される複数の区間について、個々の区間の長さをその区間を構成する物質の比誘電率で割ったものを、全ての区間で合算した値で定義する。
【００８２】
〔実施例〕
第１の実施形態のプラズマ処理装置１００と同様の構成のプラズマ処理装置を用いて、一対のプラズマ電極３３の電極間距離がプラズマ電極の面内における電界強度の分布に与える影響について、有限要素法による電磁場解析により検証した。シミュレーションでは、上端位置の電極間距離が給電位置の電極間距離より長い場合について、プラズマ電極３３の長手方向（処理容器１の上下方向）における電界強度の分布を計算した。また、比較のために、上端位置の電極間距離と給電位置の電極間距離が等しい場合について、プラズマ電極３３の長手方向（処理容器１の上下方向）における電界強度の分布を計算した。
【００８３】
図１３は、プラズマ電極の長手方向における位置Ｌと電界強度Ｅｐとの関係のシミュレーション結果を示す図である。図１３中、横軸はプラズマ電極３３の長手方向における位置Ｌを示し、縦軸は電界強度Ｅｐ［Ｖ／ｍ］を示す。また、図１３中、実線は上端位置の電極間距離が給電位置の電極間距離より長い場合の結果を示し、破線は上端位置の電極間距離と給電位置の電極間距離が等しい場合の結果を示す。
【００８４】
図１３に示されるように、上端位置の電極間距離が給電位置の電極間距離より長い場合、上端位置の電極間距離と給電位置の電極間距離が等しい場合と比較して、プラズマ生成空間の上部側での電界強度が小さくなっていることが分かる。また、製品ウエハ領域における電界強度の均一性が向上していることが分かる。
【００８５】
以上、第１の実施形態から第６の実施形態について説明したが、上記の第１の実施形態から第６の実施形態の２つ以上を組み合わせてもよい。
【００８６】
今回開示された実施形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。上記の実施形態は、添付の請求の範囲及びその趣旨を逸脱することなく、様々な形態で省略、置換、変更されてもよい。
【００８７】
上記の実施形態では、一対のプラズマ電極がプラズマ区画壁の両側の壁の外面に配置されている場合を説明したが、これに限定されず、例えば一対のプラズマ電極は処理容器内に配置されていてもよい。
【００８８】
上記の実施形態では、各プラズマ電極が平板形状を有する場合を説明したが、これに限定されず、例えば各プラズマ電極は棒形状を有していてもよい。
【符号の説明】
【００８９】
１      処理容器
３０    プラズマ生成機構
３２    プラズマ区画壁
３３    プラズマ電極
３５    高周波電源
１００  プラズマ処理装置
Ｗ      ウエハ
【図１】
2020198295.tif 000008
【図２】
2020198295.tif 000009
【図３】
2020198295.tif 000010
【図４】
2020198295.tif 000011
【図５】
2020198295.tif 000012
【図６】
2020198295.tif 000013
【図７】
2020198295.tif 000014
【図８】
2020198295.tif 000015
【図９】
2020198295.tif 000016
【図１０】
2020198295.tif 000017
【図１１】
2020198295.tif 000018
【図１２】
2020198295.tif 000019
【図１３】
2020198295.tif 000020