(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
フォーカスリングが配置された試料台に載置された被処理体が収容された処理室内に処理ガスを供給してプラズマを生成し、生成したプラズマにて被処理体にプラズマ処理を施すプラズマ処理装置において、
前記処理室は筒状をなし、
前記処理室内に導光路で導かれ、前記プラズマ中の原子若しくは分子を励起若しくは電離させ、又は部材を構成する原子から電子を放出させる紫外線又はＸ線からなる光を照射する第１光照射手段及び第２光照射手段を備え、
前記第１光照射手段は、前記処理室内の略中央の領域に光を照射し、
前記第２光照射手段は、前記フォーカスリングに光を照射し、該フォーカスリングを介し前記処理室内の周壁側の領域に光を照射するように構成されていることを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項２】
前記第２光照射手段は、複数の光源を備える
ことを特徴とする請求項１に記載のプラズマ処理装置。
【請求項３】
４０ＭＨｚ〜１００ＭＨｚの高周波を利用したことを特徴とする請求項１に記載のプラズマ処理装置。
【請求項４】
前記フォーカスリングはＳｉ又はＳｉＯ2 からなることを特徴とする請求項１に記載のプラズマ処理装置。
【請求項５】
前記処理室の外部から該処理室内へ光を入射させるための透光窓部を備え、
前記光照射手段は、
前記透光窓部を通じて前記処理室内に光を照射するようにしてある
ことを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか一つに記載のプラズマ処理装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被処理体が収容された処理室内に処理ガスを供給してプラズマを生成し、生成したプラズマにて被処理体にプラズマ処理を施すプラズマ処理装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
プラズマ処理装置は、プラズマを用いて半導体ウエハ、ガラス等の被処理体に対するエッチング、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）等の表面処理を行うものであり、半導体、液晶パネルの製造に用いられている。平行平板型のプラズマ処理装置は、容量結合型プラズマ（CCP: Capacitively Coupled Plasma）を発生させる一対の電極と、該電極に高周波電力を供給するＲＦ電源回路と、電極間に反応性ガス、材料ガス、放電ガス等の処理ガスを供給するガス供給部とを備えている（例えば、特許文献１）。プラズマ処理装置の電極に高周波電力を印加することによって処理ガスのプラズマを生成し、生成したプラズマにて被処理体に各種プラズマ処理を施すことができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−２７００５４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、処理室内に生成される電子密度は、一般的に均一ではなく、プラズマの圧力、高周波電力の周波数、処理室の形状によって、被処理体の径方向中央部と、端部とで異なることが知られている。電子密度が不均一に分布している状態においては、プラズマ表面処理の処理強度、例えば円板状の被処理体におけるエッチングの深さ、形状等も不均一になる。
【０００５】
図１１は、平行平板型のプラズマ処理装置にて生成されるプラズマの電子密度分布と、高周波電力の周波数との関係を示したシミュレーション結果のコンター図である。コンター図には、プラズマ処理装置の側断面図が描かれている。図１１ではプラズマ処理装置の径方向半分のみが描かれているため、左端部分が処理室の略中央部、右端部分が処理室の周壁側の領域に対応する。図１１（ａ）は、４０ＭＨｚの高周波電力を電極に印加した場合の電子密度分布を示しており、円筒状の処理室の中央部が低電子密度、周壁側が高電子密度であることが分かる。一方、図１１（ｂ）は、１００ＭＨｚの高周波電力を電極に印加した場合の電子密度分布を示しており、処理室の中央部が高電子密度、周壁側が低電子密度であることが分かる。
【０００６】
本発明は斯かる事情に鑑みてなされたものであり、紫外線やＸ線等の光を照射することによって処理ガスを励起若しくは電離させ、又は試料台から電子を放出させることによって、電子密度分布を均一に制御し、均一なプラズマ処理を被処理体に施すことができるプラズマ処理装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係るプラズマ処理装置は、フォーカスリングが配置された試料台に載置された被処理体が収容された処理室内に処理ガスを供給してプラズマを生成し、生成したプラズマにて被処理体にプラズマ処理を施すプラズマ処理装置において、前記処理室は筒状をなし、前記処理室内に導光路で導かれ、前記プラズマ中の原子若しくは分子を励起若しくは電離させ、又は部材を構成する原子から電子を放出させる紫外線又はＸ線からなる光を照射する第１光照射手段及び第２光照射手段を備え、前記第１光照射手段は、前記処理室内の略中央の領域に光を照射し、前記第２光照射手段は、前記フォーカスリングに光を照射し、該フォーカスリングを介し前記処理室内の周壁側の領域に光を照射するように構成されていることを特徴とする。
【０００８】
本発明にあっては、処理室内に光を照射することによって、光が照射された領域における処理ガスの電離を部分的に促すことができ、電子密度分布の制御が可能になる。また、処理室内に存在するプラズマ処理装置の構成部材に光を照射することによって電子の放出を部分的に促すことができ、電子密度分布の制御が可能になる。
本発明にあっては、処理室は筒状であり、第１光照射手段は、処理室内の略中央の領域に光を照射し、第２光照射手段は、処理室内の周壁側の領域及びフォーカスリングに光を照射する。従って、電子密度分布が処理室の略中央部又は周壁側に偏ることを防止することが可能である。
本発明にあっては、光照射手段は、処理ガスを構成する原子を励起又は電離させることが可能な光を照射する。処理ガスの原子が励起した場合、電離に必要なエネルギーが低下するため、処理ガスの電離が促進し、電子密度が部分的に増加する。同様に、光の照射によって処理ガスの原子が電離した場合、電子密度が部分的に増加する。
そして、本発明にあっては、光照射手段は、被処理体が載置される試料台若しくは前記処理室、又は前記処理室内に配された部材に対して、試料台若しくは前記処理室、又は前記処理室内に配された部材を構成する原子から電子を放出させることが可能な光を照射する。光の照射によって、試料台若しくは前記処理室、又は前記処理室内に配された部材から電子が放出された場合、電子密度が部分的に増加する。
本発明にあっては、処理室の外部からの光を、処理室を貫通した導光路を通じて処理室内に導き、該処理室内に光を照射する。
【０００９】
本発明に係るプラズマ処理装置は、前記第２光照射手段は、複数の光源を備えることを特徴とする。
【００１０】
本発明にあっては、光照射手段は複数の光源を備えており、各光源は処理室内の異なる複数の領域に光を照射する。従って、各光源の点灯及び光量を制御することによって、処理ガスの電離又は電子放出を部分的に促すことができ、電子密度分布を制御することが可能になる。
【００１１】
本発明に係るプラズマ処理装置は、４０ＭＨｚ〜１００ＭＨｚの高周波を利用したことを特徴とする。
本発明に係るプラズマ処理装置は、前記フォーカスリングはＳｉ又はＳｉＯ2 からなることを特徴とする。
【００１７】
本発明に係るプラズマ処理装置は、前記処理室の外部から該処理室内へ光を入射させるための透光窓部を備え、前記光照射手段は、前記透光窓部を通じて前記処理室内に光を照射するようにしてあることを特徴とする。
【００１８】
本発明にあっては、処理室の外部からの光を、透光窓部を通じて処理室の内部へ入射させ、該処理室内に光を照射する。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、紫外線やＸ線等の光を照射することによって処理ガスを励起若しくは電離させ、又は試料台から電子を放出させることによって、均一な電子密度分布を均一に制御し、プラズマ処理を被処理体に施すことができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の実施形態１に係るプラズマ処理装置の一例を模式的に示す側断面図である。
【図２】プラズマ処理装置の要部を示す拡大断面図である。
【図３】記憶部が記憶する光量テーブルのレコードレイアウトを概念的に示す説明図である。
【図４】電子密度分布の制御に係る制御部の処理手順を示すフローチャートである。
【図５】電子密度分布の制御方法を概念的に示す説明図である。
【図６】周波数４０ＭＨｚの高周波電力を印加している状態で、励起光を照射した場合における電子密度分布等のシミュレーション結果を示すグラフである。
【図７】周波数１００ＭＨｚの高周波電力を印加している状態で、励起光を照射した場合における電子密度分布等を示したグラフである。
【図８】処理室内の構成部材に励起光を照射した場合における電子密度分布等を示したグラフである。
【図９】変形例に係るプラズマ処理装置の一例を模式的に示す断面図である。
【図１０】実施の形態２に係るプラズマ処理装置の一例を模式的に示す断面図である。
【図１１】平行平板型のプラズマ処理装置にて生成されるプラズマの電子密度分布と、高周波電力の周波数との関係を示したシミュレーション結果のコンター図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、本発明をその実施の形態を示す図面に基づいて詳述する。
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施形態１に係るプラズマ処理装置の一例を模式的に示す側断面図、図２は、プラズマ処理装置の要部を示す拡大断面図である。本発明の実施の形態１に係るプラズマ処理装置は、チャンバ１と、被処理体Ｗを載置すると共に下部電極として機能する試料台２と、上部電極３１として機能するガス導入シャワーヘッド３と、チャンバ１内に処理ガスを導入するガス供給手段４と、光照射手段５とを備える。
【００２４】
チャンバ１は、アルミニウム製の円筒状をなし、該チャンバ１内には、被処理体Ｗ、例えば、直径が３００ｍｍの半導体デバイス用のウエハを載置する載置台としての円柱状の試料台２が配置されている。プラズマ処理装置では、チャンバ１の内側壁と試料台２の側面とによって、試料台２上方のガスをチャンバ１の外へ排出する流路として機能する側方排気路が形成される。この側方排気路の途中には排気プレート１１が配置される。チャンバ１の内壁面は石英やイットリア（Ｙ2 Ｏ3 ）で被膜処理されている。
【００２５】
排気プレート１１は多数の孔を有する板状部材であり、チャンバ１を上部と下部に仕切る仕切り板として機能する。排気プレート１１によって仕切られたチャンバ１の上部（以下、「処理室」という。）１２における処理空間には、後述するプラズマが発生する。また、チャンバ１の下部（以下、「排気室」という。）１３にはチャンバ１内のガスを排出する粗引き排気管１４及び本排気管１５が開口している。粗引き排気管１４にはＤＰ（Dry Pump）（不図示）が接続され、本排気管１５には可変式バタフライバルブである自動圧力制御弁（ＡＰＣバルブ：Adaptive Pressure Control Valve）（不図示）を介してＴＭＰ（Turbo Molecular Pump）（不図示）が接続される。また、排気プレート１１は処理室１２における処理空間において発生するプラズマ中のイオンやラジカルを捕捉又は反射してこれらの排気室１３への漏洩を防止する。
【００２６】
粗引き排気管１４及び本排気管１５は処理室１２のガスを排気室１３を介してチャンバ１の外部へ排出する。具体的には、粗引き排気管１４はチャンバ１内を大気圧から低真空状態まで減圧し、本排気管１５は粗引き排気管１４と協働してチャンバ１内を低真空状態より低い圧力である高真空状態、例えば、１３３Ｐａ（１Ｔｏｒｒ）以下まで減圧する。また、本排気管１５は前記ＡＰＣバルブによってチャンバ１内の圧力制御を行う。
【００２７】
また、チャンバ１の側壁には、被処理体Ｗのチャンバ１内への搬出入の際に利用される搬出入口１６が設けられ、搬出入口１６には、該搬出入口１６を開閉するゲートバルブ１７が取り付けられている。
【００２８】
試料台２は、排気プレート１１の略中央部に設置され、試料台２には下部高周波電源２１が下部整合器２２を介して接続されており、該下部高周波電源２１は所定の高周波電力を試料台２に印加する。これにより、試料台２は下部電極として機能する。また、下部整合器２２は、試料台２からの高周波電力の反射を低減して高周波電力の試料台２への供給効率を最大にする。
【００２９】
試料台２の上部には、静電電極板２３ａを内部に有する静電チャック２３が配置されている。静電チャック２３はアルミニウムからなり、上面にはセラミック等が溶射されている。試料台２に被処理体Ｗを載置するとき、該被処理体Ｗは静電チャック２３の上面に配置される。
【００３０】
また、静電チャック２３では、静電電極板２３ａに直流電源２４が電気的に接続されている。静電電極板２３ａに正の高直流電圧が印加されると、被処理体Ｗにおける静電チャック２３側の面（以下、「裏面」という。）には負電位が発生して静電電極板２３ａ及び被処理体Ｗの裏面の間に電位差が生じ、該電位差に起因するクーロン力又はジョンソン・ラーベック力により、被処理体Ｗは静電チャック２３の上面に吸着保持される。また、試料台２の上方には、静電チャック２３の上面に吸着保持された被処理体Ｗの周りを囲うように円環状のフォーカスリング２５が配される。このフォーカスリング２５は、例えば、石英からなり、静電チャック２３の上面に吸着保持された被処理体Ｗの周りを囲う。また、フォーカスリング２５は、処理空間に発生するプラズマに面し、処理空間においてプラズマを被処理体Ｗの表面に向けて収束して、エッチング処理の効率を向上させる。
【００３１】
また、試料台２の内部には、例えば、円周方向に延在する環状の冷媒室２６ａが設けられる。この冷媒室２６ａには、チラーユニット（不図示）から冷媒用配管２６ｂを介して低温の冷媒、例えば、冷却水やガルデン（登録商標）が循環供給される。該低温の冷媒によって冷却された試料台２は静電チャック２３を介して被処理体Ｗを冷却する。なお、被処理体Ｗの温度は主として冷媒室２６ａに循環供給される冷媒の温度、流量によって制御される。
【００３２】
静電チャック２３の上面の被処理体Ｗが吸着保持される部分（以下、「吸着面」という。）には、複数の伝熱ガス供給孔２７が開口している。これら複数の伝熱ガス供給孔２７は、伝熱ガス供給ライン２７ｂを介して伝熱ガス供給部（不図示）に接続され、該伝熱ガス供給部は伝熱ガスとしてのヘリウムガスを、伝熱ガス供給孔２７を介して吸着面及び被処理体Ｗの裏面の間隙に供給する。吸着面及び被処理体Ｗの裏面の間隙に供給されたヘリウムガスは被処理体Ｗの熱を静電チャック２３に効果的に伝達する。
【００３３】
ガス導入シャワーヘッド３は、試料台２と対向するようにチャンバ１の天井部に配置されている。ガス導入シャワーヘッド３には上部整合器３４を介して上部高周波電源３３が接続されており、上部高周波電源３３は所定の高周波電力をガス導入シャワーヘッド３に印加するので、ガス導入シャワーヘッド３は上部電極３１として機能する。なお、上部整合器３４の機能は上述した下部整合器２２の機能と同じである。
【００３４】
ガス導入シャワーヘッド３は、例えば、シリコンＳｉからなり、多数のガス孔３１ａを有する上部電極３１と、該上部電極３１を着脱可能に支持する電極支持体３２とを有する。また、該電極支持体３２の内部にはバッファ室３２ａが設けられ、このバッファ室３２ａには処理ガス供給器４５から処理ガスを導入するガス導入管４１が接続されている。ガス導入シャワーヘッド３は、ガス導入管４１によりバッファ室３２ａ内へ導入された処理ガスを、ガス孔３１ａを介して処理室１２内へ供給する。また、円板状の上部電極３１及び電極支持体３２の略中央部には、後述の励起光Ｌ１を処理室１２の略中央部へ入射させるための透光孔３１ｂ，３２ｂが設けられている。
なお、透光孔３１ｂ，３２ｂを備えず、後述の第１光源５１からの励起光Ｌ１を処理室１２の天側から透過させ、処理室１２の中央の領域に入射させるように構成しても良い。また、処理室１２内の中央の領域に配されたその他の部材に対して励起光Ｌ１を照射するように構成しても良い。
【００３５】
このプラズマ処理装置では、エッチング未処理の被処理体Ｗをチャンバ１内に収容して静電チャック２３の上面に吸着保持した後に、試料台２及びガス導入シャワーヘッド３に高周波電力を印加して、試料台２及びガス導入シャワーヘッド３の間の処理空間に高周波電力を印加することにより、該処理空間においてガス導入シャワーヘッド３から供給された処理ガスを高密度のプラズマにしてイオンやラジカルを発生させ、該イオン等によってエッチング未処理の被処理体Ｗにエッチング処理を施す。
【００３６】
ガス供給手段４は、電極支持体３２の中央に設けられたガス導入管４１を備え、ガス導入管４１には、ガス供給管４２が接続されている。さらにこのガス供給管４２には、バルブ４３およびマスフローコントローラ４４を介して、処理ガス供給器４５が接続されている。
【００３７】
この処理ガス供給器４５から、エッチングのためのエッチングガス又はアッシングのためのアッシングガス等の各種処理ガスが、処理室１２の内部に供給されるようになっている。なお、図１には、ガス供給管４２、バルブ４３、マスフローコントローラ４４、および処理ガス供給器４５等から成る処理ガス供給系を１つのみ示しているが、プラズマ処理装置１は、複数の処理ガス供給系を備えている。例えば、ＣＦ4 、Ｃx Ｏy 、Ｏ2 、Ｎ2 、Ｎx Ｏy 、ＮＨ3 、ＣＨＦ3 、Ｈ2 、Ａｒ、Ｈｅ、およびＸｅ等の処理ガスが、それぞれ独立に流量制御され、任意の組合わせで処理室１２内に供給される。
【００３８】
光照射手段５は、処理室１２内の略中央の領域に処理ガスの励起光Ｌ１を照射するための第１光源５１、処理室１２内の周壁側の領域に励起光Ｌ２を照射するための第２光源５２、５２、第１光源５１及び第２光源５２、５２の発光を制御する制御部５３、及び該制御部５３による発光制御に必要な情報を記憶した記憶部５４を備える。
【００３９】
第１光源５１は、処理ガスを構成する原子又は分子を励起させることが可能な波長を含む励起光Ｌ１を照射する光源であり、ガス導入管４１の円周面外側に配されている。ガス導入管４１の側壁には、第１光源５１からの励起光Ｌ１を処理室１２内へ入射させるための透光窓部５１ｂが設けられている。透光窓部５１ｂは、例えば石英ガラス等で形成されている。第１光源５１及び透光窓部５１ｂ間は、光ファイバ等の第１導光路５１ａで接続されている。また、ガス導入管４１の内部には、第１光源５１から出射し、第１導光路５１ａ及び透光窓部５１ｂを通じて、ガス導入管４１の内部へ入射した励起光Ｌ１を、処理室１２内へ導くためのプリズム５１ｃ、集光レンズ５１ｄが配されている。
上記構成によれば、第１光源５１から出射した励起光Ｌ１は、第１導光路５１ａ及び透光窓部５１ｂを通じて、ガス導入管４１に入射する。ガス導入管４１に入射した励起光Ｌ１は、プリズム５１ｃ及び集光レンズ５１ｄによって、ガス導入管４１からガス導入シャワーヘッド３の透光孔３１ｂ、３２ｂを通じて、処理室１２内の略中央部に導かれる。
なお、上述のように透光孔３１ｂ，３２ｂを備えず、第１光源５１からの励起光Ｌ１を処理室１２の天側から透過させ、処理室１２の中央の領域に入射させるように構成することにより、ガス導入シャワーヘッド３から電子を放出させるように構成しても良い。このように構成した場合、励起光Ｌ１は、ガス導入シャワーヘッド３を透過して、ガス導入シャワーヘッド３の下表面に達するため、結果として、処理室１２内部の中央の領域に励起光Ｌ１が照射されたことになる。ガス導入シャワーヘッド３の上部電極３１及び電極支持体３２を構成する原子に励起光Ｌ１が照射された場合、該原子は光電効果によって電子を処理室１２内に放出する。また、処理室１２内に漏れ出した励起光Ｌ１は、処理室１２の中央部の領域において処理ガスを励起又は電離させることもできる。
【００４０】
第２光源５２、５２は、フォーカスリング２５を構成する原子から電子を放出させることができ、また処理ガスを構成する原子又は分子を励起させることが可能な波長を含む励起光Ｌ２を照射する光源であり、例えば排気室１３に配されている。第２光源５２、５２には第２導光路５２ａ、５２ａ、例えば光ファイバの一端が接続されている。第２導光路５２ａ、５２ａの中央部分は、試料台２内部に埋設され、他端がフォーカスリング２５の下面に当接している。
上記構成によれば、第２光源５２、５２から出射した励起光Ｌ２は、第２導光路５２ａ、５２ａを通じて、フォーカスリング２５に下方から照射される。励起光Ｌ２は、フォーカスリング２５を透過して、フォーカスリング２５の表面に達するため、結果として、処理室１２内部の外周側の領域に励起光Ｌ２が照射されたことになる。フォーカスリング２５の表面を構成する原子に励起光Ｌ２が照射された場合、該原子は光電効果によって電子を処理室１２内に放出する。また、処理室１２内に漏れ出した励起光Ｌ２は、処理ガスを励起又は電離させることもできる。
なお、第２光源５２によって、フォーカスリング２５及び処理室１２内の周壁側の領域に励起光Ｌ２を照射するように構成してあるが、処理室１２の周壁に対して励起光Ｌ２を照射するように構成しても良い。また、処理室１２内の周壁側に配されたその他の部材に対して励起光Ｌ２を照射するように構成しても良い。
【００４１】
制御部５３は、例えばＣＰＵを備えたマイクロコンピュータであり、ＣＰＵにはバスを介してＲＯＭ、ＲＡＭ、操作部、記憶部５４等が接続されている。記憶部５４は、第１光源５１及び第２光源５２、５２の点灯及び光量を制御するための光量テーブルを記憶している。また、制御部５３は、上述したプラズマ処理装置の各構成部品の動作を、エッチング処理に対応するプログラムに応じて制御する。
【００４２】
図３は、記憶部５４が記憶する光量テーブルのレコードレイアウトを概念的に示す説明図である。光量テーブルは、処理ガスの種類と、上部電源及び下部電源の周波数と、第１光源５１による中央部光照射量と、第２光源５２、５２による外周部光照射量とを対応付けた情報である。
中央部光照射量は、電子密度分布を均一にするために、処理室１２の略中央部に照射すべき励起光Ｌ１の光量を示し、外周部光照射量は、処理室１２の周壁側の領域に照射すべき励起光Ｌ２の光量を示している。
【００４３】
図４は、電子密度分布の制御に係る制御部５３の処理手順を示すフローチャートである。制御部５３は、図示しない操作部によって入力されたプロセス条件をＲＡＭから読み出し（ステップＳ１１）、読み出されたプロセス条件と、光量テーブルとに基づいて、中央部光照射量及び外周部光照射量を特定する（ステップＳ１２）。
【００４４】
そして、制御部５３は、ステップＳ１２で特定した中央部光照射量に応じた光量で第１光源５１を発光させる（ステップＳ１３）。
【００４５】
次いで、制御部５３は、ステップＳ１２で特定した外周部光照射量に応じた光量で第２光源５２、５２を発光させ（ステップＳ１４）、処理を終える。
【００４６】
次に、電子密度分布の制御方法の原理について説明する。
図５は、電子密度分布の制御方法を概念的に示す説明図である。図５（ａ）に示すように、処理ガスを構成する基底状態の原子に励起光が照射されると、図５（ｂ）に示すように、該原子は励起状態に遷移する。励起状態にある粒子は、電子衝突又はイオン衝突等によって電離し易くなる。このため、励起光を照射することによって、該励起光が照射された領域のプラズマの電子密度を増加させることができる。
【００４７】
処理ガスとしては、例えばＡｒ、Ｏ2 、ＣＦ4 などのガスがプラズマプロセスで使用されている。それぞれの原子又は分子を電離させるためには、１５．８（ｅＶ）、１２．１（ｅＶ）、１４．２（ｅＶ）のエネルギーが必要である。各エネルギーは、光の波長で７８（ｎｍ）、１０２（ｎｍ）、８７（ｎｍ）である。ところが、処理ガスの原子又は分子が励起されるとその電離に必要なエネルギーは低下し、電離レートが高くなる。
【００４８】
例えば、Ａｒ、Ｏ2 、ＣＦ4 の原子又は分子を励起させるために必要なエネルギーは、それぞれ１１．４（ｅＶ）、６．０（ｅＶ）、１１．３（ｅＶ）である。つまり、１０９（ｎｍ）、２０７（ｎｍ）、１１０（ｎｍ）の励起光を照射することによって、Ａｒ、Ｏ2 、ＣＦ4 の原子又は分子を励起させることができる。各原子又は分子が励起状態になると、励起状態から電離に必要なエネルギーは低下し、それぞれ４．４（ｅＶ）、６．１（ｅＶ）、２．９（ｅＶ）となる。光の波長で表現すると、２８２（ｎｍ）、２０３（ｎｍ）、４２８（ｎｍ）となる。
【００４９】
また、プラズマ中では固体表面上で電子またはイオン衝突により電離が生じ、プラズマ中での電子密度分布に影響を与える。固体表面上でも処理ガスと同様に構成原子を励起させ、又は光電子を放出させることができれば電離閾値は下がりより多くの電子をプラズマ中へ放出させることができる。例えばプラズマ処理装置でよく使われる材質であるＳｉ、ＳｉＯ2 のバンドギャップはそれぞれ１．１（ｅＶ）９．０（ｅＶ）、波長で表現すると１１２７（ｎｍ）、１３８（ｎｍ）である。
【００５０】
このように、本発明によれば、処理ガス又は処理室１２を構成する構成部材に励起光を照射することにより、処理ガス又は構成部材を励起又は電離させて部分的に電子の生成を増幅し、プラズマの均一性を制御することができる。
【００５１】
次に、励起光の照射によって電子密度分布を制御することができることを示すシミュレーション結果について説明する。今回行ったシミュレーションでは、プラズマ処理装置として平行平板型のプラズマ処理装置を想定し、Ａｒプラズマでの電子密度分布計算例を示した。より具体的には、電極間の距離を２０（ｍｍ）、プラズマの圧力を３０（ｍｍＴｏｒｒ）、被処理体Ｗである半導体ウエハの半径を１５０（ｍｍ）とした。また、電子密度分布のシミュレーションは、プラズマ流体モデル及びマクスウェル方程式を用いた有限要素法によって行った。
【００５２】
一般的に、高周波電源の周波数が低い場合、処理室１２の周壁側で電子密度が高くなり、周波数が高い場合、定在波の影響で中央部の電子密度が高くなる傾向がある。そこで、偏在した電子密度分布を均一化すべく、電子密度が低い領域に励起光を照射した場合のシミュレーションを行った。今回は、周波数が低い場合に、処理室１２の中心から径方向４（ｃｍ）の間の領域に励起光を照射し、周波数が高い場合に、処理室１２の中心から径方向１５（ｃｍ）〜１８（ｃｍ）の領域に励起光を照射した場合についてシミュレーションを行った。なお、照射する励起光の光量は、処理ガスの原子が１０21（個／ｍ3 ・秒）のレートで励起させることができる量に設定してある。
【００５３】
図６は、周波数４０ＭＨｚの高周波電力を印加している状態で、励起光を照射した場合における電子密度分布等のシミュレーション結果を示すグラフである。横軸は、試料台２の中心を基準とした径方向の位置を示している。例えば、径方向の位置０（ｍｍ）は、円筒状の処理室１２の中心部分に対応し、径方向の位置１５０〜２００（ｍｍ）は、処理室１２の周壁側の領域に対応している。図６（ａ）に示したグラフの縦軸は電子密度を示しており、細線の曲線は、励起光を照射していない状態における電子密度分布、太線は、収容室の中央部の空間に励起光を照射した状態における電子密度分布を示している。また、図６（ｂ）に示したグラフの縦軸は励起した粒子の密度を示しており、同様にして細線の曲線は、励起光を照射していない状態における励起粒子密度分布、太線は、収容室の中央部の空間に励起光を照射した状態における励起粒子密度分布を示している。なお、ハッチング部分は、励起光が照射された領域を示している。
【００５４】
図６に示したグラフから分かるように、周波数４０ＭＨｚの高周波電力を印加した状態においては、電子密度は、処理室１２の中央部に比べて径方向外側の方が高い傾向がある。ここで、処理室１２の略中央部に励起光が照射されると、処理ガスを構成する原子が励起し、図６（ｂ）に示すように励起粒子密度は処理室１２の略中央部で高くなる。励起した粒子は、電離し易くなるため、結果として、図６（ａ）に示すように、処理室１２の略中央部の電子密度が増加し、電子密度分布の均一性が向上する。
【００５５】
電子密度分布の均一性は下記式（１）で表される。
Ｕ＝（Ｍａｘ−Ｍｉｎ）×２／（Ｍａｘ＋Ｍｉｎ）・・・（１）
但し、Ｕは、電子密度分布の均一性、Ｍａｘは、電子密度の最大値、Ｍｉｎは電子密度の最小値である。
【００５６】
均一性Ｕの値が小さい程、均一性が高くなる。電子密度分布が完全に均一であるとき、均一性Ｕの値は０になる。図６に示した例では、励起光の照射によって均一性Ｕは、８４％から４６％に向上した。
【００５７】
図７は、周波数１００ＭＨｚの高周波電力を印加している状態で、励起光を照射した場合における電子密度分布等を示したグラフである。横軸は、図６同様、試料台２の中心を基準とした径方向の位置を示している。また、図７（ａ）に示したグラフの縦軸は電子密度を示しており、図７（ｂ）に示したグラフの縦軸は励起した粒子の密度を示している。
【００５８】
図７に示したグラフから分かるように、周波数１００ＭＨｚの高周波電力を印加した状態においては、電子密度は、処理室１２の中央部に比べて径方向外側の方が低い傾向がある。ここで、処理室１２の周壁側の領域に励起光が照射されると、処理ガスを構成する原子が励起し、図７（ｂ）に示すように励起粒子密度は処理室１２の周壁側の領域で高くなる。励起した粒子は、電離し易くなるため、結果として、図７（ａ）に示すように、処理室１２の周壁側の領域の電子密度が増加し、電子密度分布の均一性が向上する。図７に示した例では、励起光の照射によって均一性Ｕは、１１５％から９１％に向上した。
【００５９】
図８は、処理室１２内の構成部材に励起光を照射した場合における電子密度分布等を示したグラフである。横軸は、図６同様、試料台２の中心を基準とした径方向の位置を示し、縦軸は電子密度を示している。図８（ａ）は、周波数４０ＭＨｚの高周波電力を印加している状態における電子密度分布、図８（ｂ）は、周波数１００ＭＨｚの高周波電力を印加している状態における電子密度分布を示している。前記構成部材に励起光が照射されると光電子が放出されるため、電子密度が低い領域に励起光を照射することによって、該領域における電子密度を増加させ、電子密度分布の均一性を向上させることができる。図８（ａ）に示した例では、励起光の照射によって均一性Ｕは、８４％から２５％に向上した。また、図８（ｂ）に示した例では、励起光の照射によって均一性Ｕは、１１５％から４４％に向上した。
【００６０】
実施の形態１に係るプラズマ処理装置によれば、電子密度分布を均一に制御し、プラズマ処理を被処理体Ｗに施すことができる。
【００６１】
（変形例）
図９は、変形例に係るプラズマ処理装置の一例を模式的に示す断面図である。変形例に係るプラズマ処理装置は、光照射手段１０５の構成、特に第２光源１５２、１５２に係る構成のみが実施の形態１とは異なるため、以下では主に上記相異点について説明する。
【００６２】
変形例２に係る光照射手段１０５を構成する複数の第２光源１５２、１５２は、チャンバ１の外部に配されている。各第２光源１５２、１５２には、処理室１２の周壁を貫通した第２導光路１５２ａ、１５２ａの一端が接続されており、第２導光路１５２ａ、１５２ａの他端は、フォーカスリング２５に対向するように曲成されている。
上記構成によれば、第２光源１５２、１５２から出射した励起光Ｌ２は、第２導光路１５２ａ、１５２ａを通じて、処理室１２の外部から内部へ導かれ、フォーカスリング２５の上面に照射される。
【００６３】
変形例に係るプラズマ処理装置は、実施の形態１と同様の作用効果を奏する。
【００６４】
（実施の形態２）
図１０は、実施の形態２に係るプラズマ処理装置の一例を模式的に示す断面図である。実施の形態２に係るプラズマ処理装置は、例えばＲＬＳＡ型であり、気密に構成されかつ接地された略円筒状のチャンバ２０１を備える。チャンバ２０１は、例えば、アルミ（Ａｌ）製であり、略中央部に円形の開口部２０１ｂが形成された平板円環状の底壁２０１ａと、底壁２０１ａに周設された側壁とを有し、上部が開口している。該側壁によって囲まれた領域は処理室２１２を構成している。チャンバ２０１の内周には、石英からなる円筒状のライナが設けられている。
【００６５】
チャンバ２０１の側壁には環状をなすガス導入部材２４１が設けられており、このガス導入部材２４１には図示しない処理ガス供給器が接続されている。ガス導入部材２４１は、例えばシャワー状に配置されている。処理ガス供給器から所定の処理ガスがガス導入部材２４１を介してチャンバ２０１内に導入される。処理ガスとしては、プラズマ処理の種類に応じて適宜のものが用いられる。例えば、タングステン系ゲート電極の選択酸化処理のような酸化処理を行う場合には、Ａｒガス、Ｈ2 ガス、Ｏ2 ガス等が用いられる。
また、チャンバ２０１の側壁には、プラズマ処理装置に隣接する搬送室（図示せず）との間で被処理体Ｗの搬入出を行うための搬入出口２１６と、この搬入出口２１６を開閉するゲートバルブ２１７とが設けられている。
【００６６】
チャンバ２０１の底壁２０１ａには、開口部２０１ｂと連通するように、下方へ突出した有底円筒状の排気室２１１が設けられている。排気室２１１の側壁には排気管２１５が設けられており、排気管２１５には高速真空ポンプを含む図示しない排気装置が接続されている。排気装置を作動させることによりチャンバ２０１内のガスが、排気室２１１の空間２１１ａ内へ均一に排出され、排気管２１５を介して排気される。従って、チャンバ２０１内を所定の真空度、例えば０．１３３Ｐａまで高速に減圧することが可能である。
【００６７】
排気室２１１の底部中央には、ＡｌＮ等のセラミックスからなる柱状部材が略垂直に突設され、柱状部材の先端部に、被処理体Ｗである半導体ウエハを支持する試料台２０２が設けられている。試料台２０２は、ＡｌＮ等のセラミックスからなる円盤状をなし、その外縁部にはフォーカスリング２２５が設けられている。試料台２０２には抵抗加熱型のヒータが埋め込まれている。ヒータは、図示しないヒータ電源から給電されることにより被処理体Ｗを加熱する。また、試料台２０２には、被処理体Ｗを支持して昇降させるためのウエハ支持ピン（不図示）が試料台２０２の表面に対して突没可能に設けられている。
【００６８】
チャンバ２０１の上部に形成された開口部には、その周縁部に沿ってリング状の支持部２１８が設けられている。支持部２１８には、誘電体、例えば石英、Ａｌ２Ｏ３等のセラミックスからなり、マイクロ波を透過する円盤状の誘電体窓２６１がシール部材２６５ａを介して気密に設けられている。誘電体板２６３は、平板状の誘電体円板部を有し、該誘電体円板部の略中央部には孔部が形成されている。また該孔部の周縁から、誘電体円板部に対して略垂直に、円筒状のマイクロ波入射部が突出している。
【００６９】
誘電体窓２６１の上方には、試料台２０２と対向するように、円板状のスロット板２６２が設けられている。スロット板２６２は、誘電体窓２６１に面接触した状態で、チャンバ２０１の側壁上端に係止されている。また、スロット板２６２の上面には、真空よりも大きい誘電率を有する誘電体板２６３が互いに面接触するように設けられている。スロット板２６２は、導体、例えば表面が金メッキされた銅板またはアルミニウム板からなり、スロット板２６２は、複数のマイクロ波放射スロット２６２ａが所定のパターンで貫通して形成された構成となっている。すなわち、スロット板２６２はＲＬＳＡアンテナを構成している。マイクロ波放射スロット２６２ａは、例えば長溝状をなし、隣接する一対のマイクロ波放射スロット２６２ａ同士が略Ｌ字状をなすように近接して配されている。対をなす複数のマイクロ波放射スロット２６２ａは、同心円状に配置されている。
【００７０】
チャンバ２０１の上面には、スロット板２６２及び誘電体板２６３を覆うように、円盤状のシールド蓋体２６４が設けられている。シールド蓋体２６４は、例えばアルミニウムやステンレス鋼等の金属製である。チャンバ２０１の上面とシールド蓋体２６４との間は、シール部材２６５ｂによりシールされている。
【００７１】
シールド蓋体２６４の内部には、冷却水流路２６４ａが形成されており、冷却水流路２６４ａに冷却水を通流させることにより、スロット板２６２、誘電体窓２６１、誘電体板２６３、シールド蓋体２６４を冷却するように構成されている。なお、シールド蓋体２６４は接地されている。
【００７２】
シールド蓋体２６４の上壁の中央には開口部２６４ａが形成されており、該開口部には導波管２７１が接続されている。導波管２７１は、シールド蓋体２６４の開口部２６４ｂから上方へ延出する断面円形状の同軸導波管２７１ａと、同軸導波管２７１ａの上端部に接続された水平方向に延びる断面矩形状の矩形導波管２７１ｂとを有しており、矩形導波管２７１ｂの端部には、マッチング回路２７２を介してマイクロ波発生装置２７３が接続されている。マイクロ波発生装置２７３で発生したマイクロ波、例えば周波数２．４５ＧＨｚのマイクロ波が導波管２７１を介して上記スロット板２６２へ伝搬されるようになっている。なお、マイクロ波の周波数としては、８．３５ＧＨｚ、１．９８ＧＨｚ等を用いることもできる。矩形導波管２７１ｂの同軸導波管２７１ａとの接続部側の端部にはモード変換器２７４が設けられている。同軸導波管２７１ａは、筒状の同軸外導体と、該同軸外導体の中心線に沿って配された同軸内導体とを有し、同軸内導体の下端部はスロット板２６２の中心に接続固定されている。また、誘電体板２６３のマイクロ波入射部は、同軸導波管２７１ａに内嵌している。
【００７３】
また、プラズマ処理装置は、光照射手段２０５を備える。光照射手段２０５は、処理室２１２内の略中央の領域に励起光Ｌ１を照射するための第１光源２５１、処理室２１２内の側壁側の領域に励起光Ｌ２を照射するための第２光源２５２、２５２、第１光源２５１及び第２光源２５２、２５２の発光を制御する制御部２５３、及び該制御部２５３による発光制御に必要な情報を記憶した記憶部２５４を備える。制御部２５３、記憶部２５４の構成、及び制御部２５３の処理内容は実施の形態１と同様である。
【００７４】
第１光源２５１は、チャンバ２０１の外部に配されており、第１光源２５１には第１導光路２５１ａの一端が接続されている。第１導光路２５１ａの途中部分は、同軸内導体内に配され、第１導光路２５１ａの他端は、誘電体窓２６１の略中央部に当接している。
上記構成によれば、第１光源２５１から出射された励起光Ｌ１は、第１導光路２５１ａを通じて誘電体窓２６１の略中央部の上面に照射される。励起光Ｌ１は、誘電体窓２６１を通過し、処理室２１２内の略中央部に照射される。
【００７５】
複数の第２光源２５２、２５２は、変形例と同様、チャンバ２０１の外部に配されている。各第２光源２５２、２５２には、ガス導入部材２４１と同様に、処理室２１２の周壁を貫通した第２導光路２５２ａ、２５２ａの一端が接続されており、第２導光路２５２ａ、２５２ａの他端は、処理室２１２の周壁側の領域に励起光Ｌ２を照射するように構成されている。
上記構成によれば、第２光源２５２、２５２から出射した励起光Ｌ２は、第２導光路２５２ａ、２５２ａを通じて、処理室２１２の外部から内部へ導かれ、処理室２１２の周壁側の領域に照射される。
【００７６】
実施の形態２に係るプラズマ処理装置にあっては、実施の形態１と同様の作用効果を奏する。
【００７７】
今回開示された実施の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。本発明の範囲は、上記した意味ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【符号の説明】
【００７８】
１  チャンバ
２  試料台
３  ガス導入シャワーヘッド
４  ガス供給手段
５  光照射手段
１２  処理室
１３  排気室
２５  フォーカスリング
３１  上部電極
３１ｂ、３２ｂ  透光孔
４１  ガス導入管
５１  第１光源
５１ａ  第１導光路
５１ｂ  透光窓部
５１ｃ  プリズム
５１ｄ  集光レンズ
５２、５２  第２光源
５２ａ、５２ａ  第２導光路
５３  制御部
５４  記憶部
Ｌ１，Ｌ２  励起光
Ｗ  被処理体
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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