(57)【要約】【課題】主ガスと調整ガスとの分子量比に応じた濃度のバラツキを抑制する。【解決手段】処理容器に設けられ、内部に複数のガス供給ゾーンを有し、各ガス供給ゾーンから主ガスを含む処理ガスを該処理容器内にそれぞれ導入する上部電極４０と、複数に分岐し、処理ガスを所定の流量比に分けて複数のガス供給ゾーンに供給するための分岐配管６０と、分岐配管の分岐後の複数の分岐部の少なくともいずれかに接続され、処理ガスに調整ガスを添加するための付加配管１３０と、分岐配管の分岐後の複数の分岐部と複数のガス供給ゾーンとを連結する複数のガス配管５３，５４とを有し、複数のガス配管のうち、少なくとも付加配管が接続された分岐配管の分岐部に連結するガス配管のガス経路には、主ガスと調整ガスとの分子量比に応じた濃度のバラツキを抑制するための屈曲部が形成されているプラズマ処理装置１が提供される。【選択図】図４
2014086632.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
処理容器内に供給されるガスを高周波電力によりプラズマ化し、被処理体にプラズマ処理を行うプラズマ処理装置であって、
前記処理容器に設けられ、内部に複数のガス供給ゾーンを有し、各ガス供給ゾーンから主ガスを含む処理ガスを該処理容器内にそれぞれ導入する上部電極と、
複数に分岐し、前記処理ガスを所定の流量比に分けて前記複数のガス供給ゾーンに供給するための分岐配管と、
前記分岐配管の分岐後の複数の分岐部の少なくともいずれかに接続され、前記処理ガスに調整ガスを添加するための付加配管と、
前記分岐配管の分岐後の複数の分岐部と前記複数のガス供給ゾーンとを連結する複数のガス配管とを有し、
前記複数のガス配管のうち、少なくとも前記付加配管が接続された分岐配管の分岐部に連結するガス配管のガス経路には、前記主ガスと前記調整ガスとの分子量比に応じた濃度のバラツキを抑制するための屈曲部が形成されているプラズマ処理装置。
【請求項２】
前記複数のガス供給ゾーンは、前記上部電極の径方向に向けて最外周のゾーンと内周側の１又は複数のゾーンに分けられ、
前記付加配管は、少なくとも最外周のゾーンと連通する前記分岐配管の分岐部に接続される請求項１に記載のプラズマ処理装置。
【請求項３】
前記処理容器外に前記上部電極と対向して接地部材を設け、
前記複数のガス配管は、前記上部電極と前記接地部材との間に設けられる請求項１又は２に記載のプラズマ処理装置。
【請求項４】
前記複数のガス配管のうち、少なくとも前記付加配管が接続された分岐配管の分岐部に連結するガス配管のガス経路は、１５０ｍｍ以上である請求項１〜３のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。
【請求項５】
前記複数のガス配管のうち、少なくとも前記付加配管が接続された分岐配管の分岐部に連結するガス配管のガス経路は、該ガス配管の入口から流入した前記調整ガスと前記主ガスとの混合ガスが該ガス配管の出口において均一な濃度になるために必要な反応時間が経過したとき又はその後、該混合ガスが該ガス配管の出口に到達する距離である請求項１〜４のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。
【請求項６】
１５０ｍｍ以上の距離をもつガス配管を用いて、該ガス配管の入口から流入した前記調整ガスと前記主ガスとの混合ガスが該ガス配管の出口において均一な濃度になるために必要な反応時間を算出し、該算出された反応時間に基づき、前記主ガスと前記調整ガスとの濃度比を算出することにより、前記主ガスと前記調整ガスとの濃度比を、算出された濃度比以内に制御する制御部を更に有する請求項１〜５のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。
【請求項７】
以下の式（３）及び式（６）を用いて、前記付加配管が接続された分岐配管の分岐部に連結するガス配管のガス経路を定めるか、又は、前記主ガスと前記調整ガスとの濃度比を、前記ガス配管の距離を１５０ｍｍ以上に限定したときに算出される前記主ガスと前記調整ガスとの濃度比以内に制御する請求項５又は６に記載のプラズマ処理装置。
ＳＬ／Ｑ＝Ｖ／Ｑ＝τ  ・・・（３）
Ｌｎ（ＣＡin／ＣＡout）＝−ｋτ  ・・・（６）
Ｓ    ：ガス配管の断面積（ｃｍ２）
Ｌ    ：ガス配管長（ｍｍ）
Ｑ    ：ガス配管出入口でのガス流量
τ    ：主ガスと調整ガスの理想混合ガス時の濃度に到達するまでの反応時間
ＣＡin  ：ガス配管入口でのガス濃度（Ｍ）
ＣＡout ：ガス配管出口でのガス濃度（Ｍ）
ｋ    ：拡散係数
【請求項８】
前記主ガスと前記調整ガスとの分子量比は、３．６８〜５３である請求項１〜７のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プラズマ処理装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
プラズマ処理装置では、処理容器内に供給されるガスを高周波電力によりプラズマ化し、被処理体にプラズマ処理を行う。ガス供給方法としては、プラズマ処理装置の上部電極をガスシャワーヘッド構造とし、上部電極から処理容器内にシャワー状にガスを供給する方法がある。更に、この場合、上部電極内に、例えばエッジ側とセンタ側に複数のガス室（ガス供給ゾーン）を設け、各ガス室から処理容器内に異なるガス種の混合ガスを供給することが提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
特許文献１では、各ガスは、混合配管で混合され、分岐配管で分流して各ガス室に供給される。その際、分岐配管のいずれかに、例えばエッチングレートを高める調整ガスを添加することにより、あるガス室には調整ガスが添加された処理ガスを供給し、別のガス室には調整ガスが添加されていない処理ガスを供給することができる。
【０００４】
このようにして、各ガス室から処理容器内に導入されるガス中の調整ガスの量を調整することで、ガス供給ゾーン毎のエッチングレートのバラツキを抑え、基板面内におけるエッチングの均一性を高めることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００６−１６５３９９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、分子量の小さいガスを主ガスとした処理ガスに分子量の大きな調整ガスを添加すると、分子量の違いから主ガスと調整ガスとが混合されにくい状態になる。このため、各ガスが十分に混合される前にガスシャワーヘッドから処理容器内へ導入され、導入ガスの混合比率にバラツキが生じる。その結果、被処理体のプラズマ処理において、ガス濃度が不均一なために均一なプロセス特性が得られないという課題があった。
【０００７】
これに対して、処理容器内へ導入される前に各ガスが完全に混ざり合うまでの反応時間を得るために、調整ガスが付加された分岐配管の長さを長くすることも考えられる。しかしながら、流量調整装置（フロースプリッター）は、ガスを分流した後の分岐配管内部の圧力をモニタすることで、分岐配管により分流させるガスの流量制御を行っている。よって、流量調整装置が分岐後の分岐配管内の圧力変動を迅速にモニタし、ガスの流量制御に反映させるために、調整ガスが添加される分岐配管の長さはできるだけ短くする必要がある。よって、流量調整装置による流量制御の精度を考慮すると、分岐配管を各ガスが完全に混ざり合うまでの反応時間が得られる程長くすることはできない。更に、配管の長さを単純に直線上に長くすることは、装置全体をコンパクトに設計し、省スペース化を図る観点からも得策ではない。
【０００８】
上記課題に対して、本発明の一実施形態では、主ガスと調整ガスとが混合されるガス配管に屈曲部を設け、ガス配管内の経路を長くすることで、主ガスと調整ガスとの分子量比に応じた濃度のバラツキを抑えることが可能な、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】
【０００９】
上記課題を解決するために、本発明の一態様によれば、
処理容器内に供給されるガスを高周波電力によりプラズマ化し、被処理体にプラズマ処理を行うプラズマ処理装置であって、
前記処理容器に設けられ、内部に複数のガス供給ゾーンを有し、各ガス供給ゾーンから主ガスを含む処理ガスを該処理容器内にそれぞれ導入する上部電極と、
複数に分岐し、前記処理ガスを所定の流量比に分けて前記複数のガス供給ゾーンに供給するための分岐配管と、
前記分岐配管の分岐後の複数の分岐部の少なくともいずれかに接続され、前記処理ガスに調整ガスを添加するための付加配管と、
前記分岐配管の分岐後の複数の分岐部と前記複数のガス供給ゾーンとを連結する複数のガス配管とを有し、
前記複数のガス配管のうち、少なくとも前記付加配管が接続された分岐配管の分岐部に連結するガス配管のガス経路には、前記主ガスと前記調整ガスとの分子量比に応じた濃度のバラツキを抑制するための屈曲部が形成されているプラズマ処理装置が提供される。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、主ガスと調整ガスとが混合されるガス配管に屈曲部を設け、ガス配管内の経路を長くすることで、主ガスと調整ガスとの分子量比に応じた濃度のバラツキを抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】一実施形態に係るプラズマ処理装置の縦断面図。
【図２】一実施形態に係るガス供給機構の構成図。
【図３】一実施形態に係る流量調整装置、分岐配管、付加配管及びガス配管の配置図。
【図４】一実施形態に係るガス配管の断面図。
【図５】一実施形態に係る処理ガス及び調整ガスの導入方向とガス濃度の偏りを説明するための図。
【図６】一実施形態に係る調整ガスの流量とガス濃度の均一性との関係を示した図。
【図７】一実施形態に係るエッジ／センタ側流量比とガス濃度の均一性との関係を示した図。
【図８】一実施形態に係る配管長とガス濃度の均一性との関係を示した図。
【図９】一実施形態に係る理想混合ガス時のガス濃度に到達するまでに必要な配管長について説明するための図。
【図１０】一実施形態の変形例に係るガス配管の断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明を実施するための形態について図面を参照して説明するが、本発明は、下記の実施形態に制限されることはなく、本発明の範囲を逸脱しない範囲で、下記の実施形態に種々の変形および置換を加えることができる。また、複数の実施形態が存在する場合において、矛盾しない範囲で組み合わせることができる。
【００１３】
［プラズマ処理装置の構成］
まず、本発明の一実施形態に係るプラズマ処理装置の構成について、図１を参照しながら説明する。図１は、一実施形態に係るプラズマ処理装置の縦断面図である。
【００１４】
本実施形態では、プラズマ処理装置１として平行平板型のプラズマエッチング処理装置を例に挙げて説明する。プラズマ処理装置１は、例えば表面を陽極酸化処理されたアルミニウム等から構成された円筒状のチャンバ１０（処理容器）を有している。処理容器１０は接地されている。チャンバ１０内には、ウエハＷを載置する載置台１２が設けられている。載置台１２は、例えば表面を陽極酸化処理されたアルミニウム等から構成され、下部電極としても機能する。載置台１２は、導体の支持台１４に支持されたい状態で絶縁板１３を介してチャンバ１０の底部に配設されている。載置台１２の上面には、基板Ｗを静電吸着するための静電チャック１６が設けられている。静電チャック１６は、絶縁体１６ｂの間に電極１６ａを介在している。電極１６ａには直流電圧源１８が接続されている。直流電圧源１８から電極１６ａに直流電圧が印加されるとクーロン力が発生し、基板Ｗが吸着される。
【００１５】
載置台１２の上方の外周には、例えば単結晶シリコンで形成されたフォーカスリング２０が設けられている。また、載置台１２及び支持台１４の周囲を囲むように、例えば石英等からなる円筒状の内壁部材２１が設けられている。
【００１６】
載置台１２には、第１の整合器３１を介して第１の高周波電源３０が接続されている。第１の高周波電源３０は、例えば、２７ＭＨｚ〜１００ＭＨｚの周波数、本実施形態では、例えば４０ＭＨｚのプラズマ生成用の高周波電力を出力する。また、載置台１２には、第２の整合器３６を介して第２の高周波電源３５が接続されている。第２の高周波電源３５は、例えば、４００ｋＨｚ〜１３．５６ＭＨｚの周波数、本実施形態では、例えば３．２ＭＨｚのバイアス用の高周波電力を出力する。
【００１７】
載置台１２の上方には、チャンバ１０の天井部の載置台１２と対向する位置に上部電極４０が設けられている。上部電極４０は、ガスシャワーヘッドとしても機能する。上部電極４０は、絶縁性部材４２を介してチャンバ１０の天井部に支持されている。上部電極４０は、電極板４４と電極支持体４６とを有している。電極板４４は、載置台１２と対向面を形成する。電極支持体４６は、導電性材料、例えば表面が陽極酸化処理されたアルミニウムからなり、その下部に電極板４４を着脱可能に支持する。
【００１８】
電極支持体４６の内部には、外周側と内周側に仕切られたエッジ側ガス供給ゾーン４８及びセンタ側ガス供給ゾーン４９が設けられている。エッジ側ガス供給ゾーン４８及びセンタ側ガス供給ゾーン４９は、電極板４４内に形成された多数のガス導入孔５０及びガス導入孔５１とそれぞれ連通している。
【００１９】
かかる構成により、エッジ側ガス供給ゾーン４８に供給されたガスは、ガス導入孔５０を介して周縁側からチャンバ１０内のプラズマ処理空間Ｕにシャワー状に導入される。また、センタ側ガス供給ゾーン４９に供給されたガスは、ガス導入孔５１を介して中心側からプラズマ処理空間Ｕにシャワー状に導入される。
【００２０】
なお、電極支持体４６等には、冷媒を循環させるための図示しない配管が設けられ、上部電極４０を冷却して所望の温度に調整する。また、電極支持体４６等には、図示しないヒータが埋設され、上部電極４０を加熱して所望の温度に調整する。
【００２１】
本実施形態では、上部電極４０内のガス室を２つに分け、中心側を円形状のセンタ側ガス供給ゾーン４９、外周側を環状のエッジ側ガス供給ゾーン４８とした。しかしながら、上部電極４０内のガス室は２つ以上のガス供給ゾーンに分割されてもよく、また、径方向に分割しても、周方向に分割してもよい。たとえば、複数のガス供給ゾーンは、上部電極４０の径方向に向けて最外周のゾーンと内周側の１又は複数のゾーンに分けられ、各ガス供給ゾーンから処理ガスをチャンバ１０内にそれぞれ導入してもよい。
【００２２】
電極支持体４６上には、ガス配管５３、５４を介して、電極支持体４６に対向した位置に略円盤状の接地部材７０が設けられている。接地部材７０は、導電体により構成され、本実施形態においては例えばアルミニウムが用いられる。
【００２３】
エッジ側ガス供給ゾーン４８は、複数のガス配管５３の一端と連結されている。センタ側ガス供給ゾーン４９には、ガス配管５４の一端と連結されている。複数のガス配管５３の他端は、第２の分岐部１２３と連結されている。ガス配管５４の他端は、第１の分岐部１２２と連結されている。なお、ガス配管５３，５４の構造については、後程詳述する。
【００２４】
分岐配管６０は、１つの配管が第１の分岐部１２２及び第２の分岐部１２３に分岐し、処理ガスを所定の流量比に分流して各複数のガス供給ゾーン４８，４９に供給する。流量調整装置６７は、分岐配管６０に取り付けられ、ガス供給源６８から供給され、混合配管で混合された処理ガスを所定流量比に分けて分岐配管６０の第１の分岐部１２２及び第２の分岐部１２３に分配する。流量調整装置６７は、ガスを分流した後の各分岐部１２２，１２３内部の圧力をモニタすることで、分岐配管６０にて分流させるガスの流量制御を行う。
【００２５】
付加配管１３０は、分岐配管６０の分岐後の複数の分岐部の少なくともいずれかに接続され、処理ガスに調整ガスを添加する。本実施形態では、付加配管１３０は、分岐配管６０の第２の分岐部１２３に接続され、調整ガスとしてＣ４Ｆ８ガスを流入させる。しかし、これに限らず、付加配管１３０は、少なくとも最外周のゾーンと連通する分岐配管６０の分岐部に接続されてもよいし、内周側の少なくともいずれかのゾーンと連通する分岐配管６０の分岐部に接続されてもよいし、全てのゾーンと連通する分岐配管６０の分岐部に接続されてもよい。
【００２６】
支持台１４の内部には、冷媒流路１４ａが形成され、冷媒流路１４ａに適宜冷媒として例えば冷却水等を循環させることにより、基板Ｗを所定の温度に制御する。基板Ｗの裏面側には、ヘリウムガス（Ｈｅ）等の冷熱伝達用ガス（バックサイドガス）を供給するための配管２２が設けられている。
【００２７】
チャンバ１０の底部には、排気口８０が形成されている。排気口８０には、排気管８１を介して排気装置８２が接続されている。排気装置８２は、真空ポンプを有し、真空ポンプを作動させることによりチャンバ１０内を所定の真空雰囲気に保持する。
【００２８】
チャンバ１０の内壁は、表面に耐プラズマ性の材料からなる溶射被膜が形成されたライナ８３により覆われている。チャンバ１０の側壁には、開閉により基板Ｗを搬入又は搬出するための図示しないゲートバルブが設けられている。
【００２９】
制御部１００は、レシピに従いプラズマ処理装置１を制御する。制御部１００は、図示しないＣＰＵ（Central  Processing  Unit）、ＲＯＭ（Read  Only  Memory）、ＲＡＭ（Random  Access  Memory）を有し、ＣＰＵはこれらの記憶領域に格納された各種レシピに従って、第１の高周波電源３０、第１の整合器３１、第２の高周波電源３５、第２の整合器３６、ガス供給源６８、流量調整装置６７等の各部の動作を制御し、これにより、プラズマ処理を実行する。例えば、レシピにはプロセス条件に対する装置の制御情報である各種プロセスガス流量、プロセス時間、処理室内温度（上部電極温度、処理室の側壁温度、ＥＳＣ温度など）、圧力（ガスの排気）、高周波電力や電圧、伝熱ガス流量などが記載されている。なお、制御部１００の機能は、ソフトウエアを用いて動作することにより実現されてもよく、ハードウエアを用いて動作することにより実現されてもよい。
【００３０】
制御部１００の制御により、プラズマ処理装置１内では、第１の高周波電源３０から出力されたプラズマ生成用の高周波電力により、上部電極４０から導入されたガスを電離又は解離させ、プラズマ処理空間Ｕにプラズマを生成する。載置台１２に載置されたウエハＷは、生成されたプラズマにより、例えばエッチング等の所望のプラズマ処理を施される。
【００３１】
以上、本実施形態に係るプラズマ処理装置１の全体構成について説明した。次に、本実施形態に係るガス供給機構について、図２を参照しながら説明する。図２は、一実施形態に係るガス供給機構の構成図である。
【００３２】
［ガス供給機構］
ガス供給機構ＧＭは、第１のガスボックス６８ａと第２のガスボックス６８ｂとからなるガス供給源６８を有している。ガス供給源６８は、例えば４つのガス源１１０ａ、１１０ｂ、１１０ｃ、１１０ｄが収容された第１のガスボックス６８ａと、例えば１つの調整ガス源１１２ａが収容された第２のガスボックス６８ｂを有する。
【００３３】
第１のガスボックス６８ａのガス源１１０ａ、ガス源１１０ｂのそれぞれには、エッチングガスとしてフロロカーボン系のフッ素化合物、例えばＣ４Ｆ８ガス、Ｃ４Ｆ６ガスが封入されている。ＣＸＦＹガスとしては、Ｃ４Ｆ６、Ｃ４Ｆ８、Ｃ５Ｆ８などが挙げられる。ガス源１１０ｃには、キャリアガスとしての希ガス、例えばＡｒガスが封入されている。ガス源１１０ｄには、例えばＣＦ系の反応生成物のデポをコントロールするガスとしてＯ２ガスが封入されている。第２のガスボックス６８ｂの調整ガス源１１２ａには、例えばエッチングを促進可能なＣＸＦＹガスとしてＣ４Ｆ８ガスが封入されている。
【００３４】
第１のガスボックス６８ａの各ガス源１１０ａ〜１１０ｄには、各ガス源１１０ａ〜１１０ｄからの各種ガスが合流され混合される混合配管１２０が接続されている。混合配管１２０には、各ガス源１１０ａ〜１１０ｄからのガスの流量を調整するマスフローコントローラ１２１がガス源毎に設けられている。
【００３５】
混合配管１２０には、混合配管１２０で混合された混合ガスを分流する分岐配管６０が接続されている。分配配管６０は、第１の分岐部１２２と第２の分岐部１２３に分岐している。第１の分岐部１２２は、ガス配管５４を介して上部電極４０のセンタ側ガス供給ゾーン４９に接続されている。第２の分岐部１２３はさらに複数に分岐し、複数のガス配管５３を介して上部電極４０のエッジ側ガス供給ゾーン４８に接続されている。
【００３６】
流量調整装置６７は、圧力調整部１２４，１２５を有している。第１の分岐部１２２には圧力調整部１２４が接続され、第２の分岐部１２３には圧力調整部１２５が接続されている。圧力調整部１２４は、圧力計１２４ａとバルブ１２４ｂを備え、圧力調整部１２５は、圧力計１２５ａとバルブ１２５ｂを備えている。圧力調整部１２４の圧力計１２４ａによる計測結果と、圧力調整部１２５の圧力計１２５ａによる計測結果は、圧力比制御装置１２６に出力される。圧力比制御装置１２６は、圧力計１２４ａ、１２５ａの計測結果に基づいて、各バルブ１２４ｂ、１２５ｂの開閉度を調整し、第１の分岐部１２２と第２の分岐部１２３に分流される混合ガスの圧力比を制御し、流量比を制御する。
【００３７】
第２のガスボックス６８ｂの調整ガス源１１２ａには、第２の分岐部１２３に連結する付加配管１３０が接続されている。付加配管１３０は、圧力調整部１２５の下流側にて第２の分岐部１２３に接続されている。つまり、付加配管１３０は、流量調整装置６７とガス配管５３との間の第２の分岐部１２３に接続され、流量調整装置６７により流量調整された処理ガスに調整ガスを添加する。付加配管１３０には、調整ガス源１１２ａからの調整ガスの流量を調整するマスフローコントローラ１３１が設けられている。かかる構成により、第２のガスボックス６８ｂの調整ガスを第２の分岐部１２３に供給可能とする。
【００３８】
第１のガスボックス６８ａにおけるマスフローコントローラ１２１と、第２のガスボックス６８ｂにおけるマスフローコントローラ１３１の動作は、流量調整装置６７及び圧力比制御装置１２６を介して制御部１００により制御される。したがって、制御部１００により、第１のガスボックス６８ａ及び第２のガスボックス６８ｂからの各種ガスの供給の開始と停止、各種ガスのガス流量が制御される。
【００３９】
次に、かかる構成のガス供給機構ＧＭの動作について、図２及び図３を参照して説明する。図３は、一実施形態に係る流量調整装置と分岐配管と付加配管とガス配管の配置図である。
【００４０】
まず、制御部１００の指示信号により、第１のガスボックス６８ａ内の予め設定されているガスが所定流量で混合配管１２０に出力される。例えば、ガス源１１０ａ〜１１０ｄからＣ４Ｆ８ガス、Ｃ４Ｆ６ガス、Ａｒガス及びＯ２ガスがそれぞれ所定流量で供給され、混合配管１２０において混合されて、所定の混合比のＣ４Ｆ８ガス、Ｃ４Ｆ６ガス、Ａｒガス及びＯ２ガスからなる混合ガスが生成される。
【００４１】
続いて、図２に示した圧力計１２４ａ、１２５ａの計測結果に基づいて、圧力比制御装置１２６によりバルブ１２４ｂ、１２５ｂの開閉度が調整され、第１の分岐部１２２及び第２の分岐部１２３に流れる混合ガスの圧力比が目標圧力比に調整される。これにより、第１の分岐部１２２からセンタ側ガス供給ゾーン４９に供給される混合ガスのガス成分（混合比）と流量が設定される。また、第２の分岐部１２３からエッジ側ガス供給ゾーン４８には、この時点で、少なくともセンタ側ガス供給ゾーン４９と同じ混合ガス、つまりエッチング処理が可能な混合ガスが供給される。
【００４２】
第１の分岐部１２２及び第２の分岐部１２３に流れる混合ガスが目標圧力比に調整され安定すると、圧力比制御装置１２６により、圧力調整部１２４、１２５のバルブ１２４ｂ、１２５ｂの開閉度が固定される。バルブ１２４ｂ、１２５ｂの開閉度が固定されるタイミングに制御部１００の指示信号により、第２のガスボックス６８ｂ内の予め設定されている調整ガスが所定流量で付加配管１３０に流される。第２のガスボックス６８ｂからの調整ガスの供給を開始させるための指示信号は、レシピに基づき制御部１００から出力される。例えば調整ガス源１１２ａからエッチングを促進可能なＣ４Ｆ８ガスが所定の流量で供給され、付加配管１３０を介して第２の分岐部１２３に合流される。これにより、第２の分岐部１２３が連通するエッジ側ガス供給ゾーン４８には、ガス配管５３を介してセンタ側ガス供給ゾーン４９に供給されるガスに含まれるＣ４Ｆ８ガス量よりもＣ４Ｆ８ガスの多い混合ガスが供給される。こうして、エッジ側ガス供給ゾーン４８に供給される混合ガスのガス成分及び流量が設定される。なお、この第２の分岐部１２３への調整ガスの添加により第１の分岐部１２２と第２の分岐部１２３の圧力比は変動するが、バルブ１２４ｂ、１２５ｂが固定されているので、センタ側ガス供給ゾーン４９には、ガス配管５４を介して当初の流量の混合ガスが供給される。
【００４３】
プラズマ処理装置１では、減圧雰囲気の下、プラズマ処理空間Ｕの中心部付近には、センタ側ガス供給ゾーン４９からの混合ガスが供給される。また、ウエハＷの外周部には、エッジ側ガス供給ゾーン４８から、センタ側ガス供給ゾーン４９からの混合ガスよりＣ４Ｆ８ガスの多い混合ガスが供給される。これにより、ウエハＷの外周部におけるエッチングレート特性がウエハＷの中心部に対して相対的に促進され、ウエハＷ面内のエッチング特性が均一になる。
【００４４】
以上の実施形態によれば、第１のガスボックス６８ａからの複数種類のガスが混合配管１２０で混合され、その混合ガスが第１の分岐部１２２と第２の分岐部１２３に分流してセンタ側ガス供給ゾーン４９とエッジ側ガス供給ゾーン４８に供給される。第２の分岐部１２３を流れる処理ガスには、エッチング特性を調整するための調整ガスが添加され、エッジ側ガス供給ゾーン４８ｂには、センタ側ガス供給ゾーン４９と異なる成分、流量の混合ガスが供給される。このように、センタ側ガス供給ゾーン４９とエッジ側ガス供給ゾーン４８に供給される混合ガスのガス成分や流量を、簡単な配管構成で任意に調整できる。
【００４５】
［ガス配管］
かかる構成のガス供給機構ＧＭを利用して、分岐配管の第２の分岐部１２３に連結された付加配管１３０から調整ガスが付加される場合の課題及び課題解決について説明する。
【００４６】
第１のガスボックス６８ａから供給された第２の分岐部１２３を流れる分子量の小さいガスを主ガスとした処理ガスに、分子量の大きい調整ガスを混合させる場合を考える。分子量が大きく異なるガス同士を混合させる場合、分子量が近いガス同士を混合させる場合に比べてガスは混合されにくい。つまり、ガスが完全に混合されるまでの時間は、分子量が大きく異なるガス同士を混合させる場合の方が、分子量が近いガス同士を混合させる場合に比べて長くなる。このため、これらのガスは、十分に混合される前にガスシャワーヘッド（上部電極４０）のガス導入孔５０からチャンバ１０内のプラズマ処理空間Ｕへ導入されてしまう。このため、ガスシャワーヘッドから導入されるガスの混合比率（ガス濃度）にバラツキが生じる。その結果、ウエハＷのプラズマ処理において、ガス濃度が不均一なために均一なプロセス特性が得られないという課題がある。
【００４７】
これに対して、処理容器内へ導入される前に各ガスが完全に混ざり合うまでの反応時間を得るために、調整ガスが付加された分岐配管の長さを長くすることも考えられる。しかしながら、流量調整装置６７は、ガスを分流した後の第１の分岐部１２２及び第２の分岐部１２３内の圧力をモニタすることで、分岐配管６０により第１の分岐部１２２及び第２の分岐部１２３に分流するガスの流量制御を行っている。よって、分岐後の第１の分岐部１２２及び第２の分岐部１２３内の圧力変動を迅速にモニタし、ガス流量制御に反映させるために、第１の分岐部１２２及び第２の分岐部１２３の配管長はできるだけ短くする必要がある。よって、流量調整装置６７による流量制御の精度を考慮すると、分岐配管を各ガスが完全に混ざり合うまでの反応時間が得られる程長くすることはできない。
【００４８】
第２の分岐部１２３内にオリフィスを設けることにより、ガスを第２の分岐部１２３内で一時滞留させ、ガスが第２の分岐部１２３を出て行くまでに遅延を生じさせ、これにより、ガスを混合させることも考えられる。しかしながら、これによれば、コンダクタンスが変動するため、管内の圧力にも影響を与える。その結果、配管内のオリフィスにより流量調整装置６７内の圧力計により検出される圧力値も変動し、流量調整装置６７によるガスの流量制御の精度が悪化するおそれがある。よって、第２の分岐部１２３内にコンダクタンスを大きく変化させるような部材を設けることはできない。更に、配管の長さを単純に直線上に長くすることは、装置全体をコンパクトに設計し、省スペース化を図る観点からも得策ではない。
【００４９】
そこで、本実施形態では、付加配管１３０が接続された第２の分岐部１２３に連結するガス配管５３に、主ガスと調整ガスとの分子量比に応じた濃度のバラツキを抑制するための屈曲部を形成する。これにより、ガス配管５３は、図３の第２の分岐部１２３と付加配管１３０との連結部Ａからガス配管５３のガス出口Ｂまでの距離を長くし、混合ガスがチャンバ１０内に供給される前に、ガスが完全に混ざり合うまでの反応時間を得ることができるように機能する。以下では、ガス配管５３の具体的構成について、図４を参照しながら説明する。
【００５０】
本実施形態に係るガス配管５３、５４は、前述したように、チャンバ１０外の上部電極４０との対向位置に設けられた接地部材７０と上部電極４０との間に配置されている。図４では、複数のガス配管５３は、ガス配管５４と内部構造が異なっている例を示す。
【００５１】
ガス配管５３は、分子量が小さい主ガスのＡｒガス含む処理ガスと分子量が大きい調整ガスのＣ４Ｆ８ガスとの混合ガスを流す配管であり、絶縁体で形成された円筒状の部材５３ａにドリル状の部材５３ｂが嵌め込まれた構造となっている。これにより、ガス配管５３の内部には、スパイラル状のガス経路が形成される。このガス配管５３内のスパイラル状のガス経路は、ガス配管５３に形成された屈曲部の一例である。
【００５２】
円筒状の部材５３ａの上端には幅広な開口部が形成されている。この開口部に接地部材７０の凹部に勘合した係合部材５５を嵌め込むことにより、ガス配管５３は接地部材７０に支持される。ガス配管５３の下端は、電極支持体４６の凹部に勘合している。電極支持体４６の凹部はエッジ側ガス供給ゾーン４８につながっている。これにより、ガス配管５３のガス経路は、第２の分岐部１２３とエッジ側ガス供給ゾーン４８に連通する。ガス配管５３は、チャンバ１０内の真空雰囲気を気密に保持するためにＯリング５９でシールされている。
【００５３】
通常、分子量が大きく異なるガス同士は混ざりにくい。しかしながら、ガス配管５３は、機械加工と機械的強度を考慮した範囲で、配管の鉛直方向の長さに対してできるだけガスの経路長が長く、かつコンダクタンスを良好にするために容積が大きくなるようなスパイラル形状を有している。かかる構成によれば、第２の分岐部１２３から流入する処理ガスと付加配管１３０から流入する調整ガスとの混合ガスは、コンダクタンスを所定以上に保ちながら、ガス配管５３内のスパイラル形状のガス経路を通る間に拡散していき、ガス配管５３の内壁やガス同士で分子衝突を繰り返し、混合されていく。混合ガスは、エッジ側ガス供給ゾーン４８に導入され、ガス導入孔５０からチャンバ１０内へ導入される時点で完全に混ざり合い、濃度が均一な状態、つまり、処理ガスと調整ガスの理想混合ガス時の濃度に到達することができる。なお、上部電極４０等に埋設される図示しないヒータによりガス配管５３を高温環境に制御し、これによりガスの分子運動を活発にして分子衝突回数を増やすことによって、スパイラル構造のガス配管５３という小スペース空間内であってもガスの混合を更に促進してもよい。これにより、チャンバ１０内へ導入される時点での処理ガスと調整ガスをより効果的に完全混合ガスとすることができる。
【００５４】
このように、分子量が大きく異なる主ガスを含む処理ガスと調整ガスが、完全に混ざり合い、理想混合ガス時の濃度に到達するまでの反応時間を得るためには、ガス配管５３の経路長は、１５０ｍｍ以上であることが好ましい。その理由、根拠ついては後述する。
【００５５】
本実施形態では、ガス配管５４は、調整ガスが添加されていない処理ガスを流す配管であり、絶縁体からなる円筒状の部材５４ａに貫通口を有する管状部材５４ｂが嵌め込まれた構造となっている。ガス配管５４は、チャンバ１０内の真空雰囲気を気密に保持するためにＯリング５９でシールされている。
【００５６】
第１の分岐部１２２から流入する処理ガスは、ガス配管５４内を通り、センタ側ガス供給ゾーン４９に導入され、ガス導入孔５１からチャンバ１０内へ導入される。ガス配管５４を通る処理ガスには、主ガスと大きく異なる分子量の調整ガスは含まれない。通常、分子量が近いガス同士は混ざり易い。よって、ガス配管５４内の経路がガス配管５３内の経路のように長くなくても、処理ガスは、ガス導入孔５１からチャンバ１０内へ導入される時点で完全に混ざり合い、濃度が均一な状態となる。
【００５７】
［複数のガス供給ゾーンにおける混合ガス濃度の均一性］
次に、複数のガス供給ゾーンに、分子量が大きく異なるガスを供給する際のガス濃度の均一性について、図５〜図８の実験結果に基づき説明する。
【００５８】
最初に、次のガス条件の場合、図５に示したガスの合流部Ｍの構造上、エッジ側ガス供給ゾーン４８にてガス濃度がどのように偏るかについて概念的に説明する。ガスの合流部Ｍは、図３のガス配管５３での処理ガスと調整ガスとが合流する部分を概念的に示したものである。図５の場合、ガス配管５３のガス経路には屈曲部は形成されていない。また、そのガス経路の長さも１５０ｍｍ以下としている。
【００５９】
ガス流量比条件（調整ガスＣ４Ｆ８の流量を１としたときの流量比で示す。）
・処理ガス  Ｃ４Ｆ８／Ｃ４Ｆ６／Ａｒ／Ｏ２＝０／０／１００／４．２
・調整ガス  Ｃ４Ｆ８＝１
上記ガス条件では、処理ガスのうち、ガス流量比が１００と圧倒的に多いＡｒガスが主ガスとなり、処理ガスは実質的にＡｒガスの分子量４４で決定されるといえる。これに対して、調整ガスのＣ４Ｆ８ガスの分子量は２００であり、Ａｒガスの分子量４４の４．５４倍と圧倒的に重い。このように、主ガスのＡｒガスと調整ガスのＣ４Ｆ８ガスの分子量が大きく異なると、これらのガスは混ざりにくい。
【００６０】
図５の実験では、センタ側ガス供給ゾーン４９を閉じ、エッジ側ガス供給ゾーン４８のみに、上記条件のガスを供給した。図３の連結部Ａに示したように、第２の分岐部１２３と付加配管１３０とはほぼ直角に連結されている。かかる連結部Ａの構造によれば、図５に示したように、第２の分岐部１２３から主ガスのＡｒガスを含む処理ガスがエッジ側ガス供給ゾーン４８の径方向に向けて供給されるのに対して、調整ガスのＣ４Ｆ８ガスは、処理ガスの流入方向とほぼ直角な方向、つまりエッジ側ガス供給ゾーン４８の周方向に向けて供給される。
【００６１】
各種ガスの合流点Ｍでは、分子量が大きい調整ガスにより、分子量が小さい主ガスが調整ガスが導入される周方向（ＰＡ方向）に押し出される。また、調整ガスが導入される方向と逆方向（ＰＢ方向）の領域Ｃでは調整ガスの濃度が高まり、反応速度が速まる。このようにしてエッジ側ガス供給ゾーン４８の周方向にガスの偏る領域Ｃが生じる。
【００６２】
このようなエッジ側ガス供給ゾーン４８の周方向のガス濃度の不均一を是正するために、プロセス条件を変えて実験した結果を図６〜図８に示す。各図において、エッジ側ガス供給ゾーン４８の周方向のガス濃度の均一性は、エッジ側ガス供給ゾーン４８の周方向のエッチングレートＥＲのバラツキの差として、次式で表される。
ガス濃度の均一性（％）＝（Ｍａｘ−Ｍｉｎ）／（Ｍａｘ＋Ｍｉｎ）×１００
Ｍａｘ：周方向のエッチングレートＥＲの最大値
Ｍｉｎ：周方向のエッチングレートＥＲの最小値
つまり、ガス濃度の均一性をウエハＷのプラズマによるエッチングレートの面内の均一性に換算して評価する。ガス濃度が均一であればその値に相関してウエハＷのプラズマによるエッチングレートの分布も均一になり、上述したガス濃度の均一性（％）も小さい値となる。
【００６３】
以下に、プロセス条件を変えて、エッジ側ガス供給ゾーン４８の周方向のガス濃度の均一性を測定した結果について説明する。なお、以下では、エッジ側ガス供給ゾーン４８をエッジ側、センタ側ガス供給ゾーン４９をセンタ側と略して呼ぶ。
【００６４】
エッジ側のエッチングレートがセンタ側より低いため、エッジ側のエッチングレートを上げるためにエッジ側ガス供給ゾーン４８に供給される処理ガスに調整ガスを添加する。なお、ガス濃度の均一性は１％であることが理想であるが、ガス濃度の均一性が１．３％以下であればエッジ側の周方向のガス濃度の均一性が維持され、良好なエッチング特性が得られることがわかっている。
【００６５】
［ガス濃度の均一性］
（調整ガスの添加）
図６は、ガス濃度の均一性が調整ガスの流量によりどのように変化するかを実験した結果である。プロセス条件は次の通りである。図６〜図８のプロセス条件において、いずれも同じ所定の圧力条件において、第１の高周波電源及び第２の高周波電源から同じ所定の高周波電力を印加して行った。
【００６６】
＜プロセス条件＞
・条件Ａ
調整ガスのＣ４Ｆ８ガスを添加しない場合
・条件Ｂ（調整ガスＣ４Ｆ８の流量を１としたときの流量比で示す。）
処理ガス  Ｃ４Ｆ８／Ｃ４Ｆ６／Ａｒ／Ｏ２＝３／０．８／１００／４．２
調整ガス  Ｃ４Ｆ８＝１（エッジ側に添加、センタ側には添加しない）
・条件Ｃ（調整ガスＣ４Ｆ８の流量を１としたときの流量比で示す。）
処理ガス  Ｃ４Ｆ８／Ｃ４Ｆ６／Ａｒ／Ｏ２＝１．５／０．４／５０／２．１
調整ガス  Ｃ４Ｆ８＝１（エッジ側に添加、センタ側には添加しない）
条件Ａ〜条件Ｃにおいてエッジ側／センタ側の流量比＝８０／２０とした。
【００６７】
図６（ａ）の条件Ａは、主ガスをＡｒガスとする上記処理ガスに対して調整ガスのＣ４Ｆ８ガスを添加しない場合、図６（ａ）の条件Ｂは、Ｃ４Ｆ８ガスを上記のガス流量比で添加する場合、図６（ａ）の条件Ｃは、Ｃ４Ｆ８ガスを上記のガス流量比で添加する場合を示す。
【００６８】
実験の結果、条件Ａ、Ｂ、Ｃの場合、ガス濃度の均一性はそれぞれ「０．９％」、「５．８％」、「７．４％」であった。この結果を図６（ｂ）のグラフに示す。これによれば、条件ＡのＣ４Ｆ８ガスを添加しない場合、ガス濃度の均一性は１．３％以下でありガス濃度の均一性が保持されているが、条件Ｂ、ＣのＣ４Ｆ８ガスを添加した場合には、１．３％より顕著に大きな値となり、ガス濃度の均一性が保持されていないことがわかる。また、Ｃ４Ｆ８ガスの添加量が多いほど、ガス濃度のバラツキが大きく、エッジ側でのガス濃度の均一性が悪いことがわかる。
【００６９】
（エッジ側／センタ側の流量比）
図７は、ガス濃度の均一性がエッジ側とセンタ側に分流するガスの流量比によりどのように変化するかを実験した結果である。プロセス条件は次の通りである。
【００７０】
＜プロセス条件＞
・条件Ｄ（調整ガスＣ４Ｆ８の流量を１としたときの流量比で示す。）
処理ガス  Ｃ４Ｆ８／Ｃ４Ｆ６／Ａｒ／Ｏ２＝３／０．８／１００／４．２
調整ガス  Ｃ４Ｆ８＝１（エッジ側に添加、センタ側には添加しない）
エッジ側／センタ側の流量比＝８０／２０
・条件Ｅ
エッジ側／センタ側の流量比＝５０／５０（この条件以外は条件Ｄと同一とした。）
・条件Ｆ
エッジ側／センタ側の流量比＝２０／８０（この条件以外は条件Ｄと同一とした。）
図７（ａ）の条件Ｄは、エッジ側／センタ側の流量比が８０／２０の場合、条件Ｅは、エッジ側／センタ側の流量比が５０／５０の場合、条件Ｆは、エッジ側／センタ側の流量比が２０／８０の場合を示す。実験の結果、条件Ｄ、Ｅ、Ｆの場合、ガス濃度の均一性はそれぞれ「５．８％」、「３．０％」、「１．４％」であった。この結果を図７（ｂ）のグラフに示す。これによれば、条件Ｄのセンタ側よりエッジ側の流量比が高い場合、ガス濃度の均一性が最も悪く、条件Ｅ、Ｆのように、センタ側に対するエッジ側の流量比の割合が下がる程ガス濃度の均一性が高くなり、条件Ｆのエッジ側／センタ側の流量比が２０／８０の場合、ガス濃度は１．３％に近くなりほぼ均一性が保持されていることがわかる。このようにエッジ側のガス流量を増やすとガス濃度の偏りが増す理由は、エッジ側には、主ガスのＡｒガスと分子量が大きく異なる調整ガスのＣ４Ｆ８ガスを添加しており、これらのガスが混ざり合いにくいためである。特に、エッジ側のガス流量が多いと、エッジ側の流速が速くなるため、更に混ざりにくくなる。一方、エッジ側のガス流量が少ないと、エッジ側の流速が遅くなるため、混ざりやすくなる。
【００７１】
（配管長）
図８は、ガス濃度の均一性がガスの配管長によりどのように変化するかを実験した結果である。プロセス条件は次の通りである。
【００７２】
＜プロセス条件＞
・条件Ｇ（調整ガスＣ４Ｆ８の流量を１としたときの流量比で示す。）
処理ガス  Ｃ４Ｆ８／Ｃ４Ｆ６／Ａｒ／Ｏ２＝３／０．８／１００／４．２
調整ガス  Ｃ４Ｆ８＝１（エッジ側に添加、センタ側には添加しない）
エッジ側／センタ側の流量比＝８０／２０
ガス配管長が５２．５ｍｍで流路は直線
・条件Ｈ
ガス配管長が１５０ｍｍで流路は直線（この条件以外は条件Ｇと同一とした。）
・条件Ｉ
ガス配管長が５００ｍｍで流路は直線（この条件以外は条件Ｇと同一とした。）
・条件Ｊ
ガス配管長が２７５ｍｍで流路はスパイラル（この条件以外は条件Ｇと同一とした。）
図８（ａ）の条件Ｇは、ガス配管長が５２．５ｍｍの場合、条件Ｈは、ガス配管長が１５０ｍｍの場合、条件Ｉは、ガス配管長が５００ｍｍの場合を示す。実験の結果、条件Ｇ、Ｈ、Ｉの場合、ガス濃度の均一性はそれぞれ「５．８％」、「１．２％」、「１．０％」であった。この結果を図８（ｂ）のグラフに示す。これによれば、条件Ｇのガス配管長が５２．５ｍｍの場合、ガス濃度の均一性が最も悪く、条件Ｈ、Ｉのガス配管長が１５０ｍｍ以上の場合、ガス濃度は１％に近くなりガス濃度の均一性が保持されていることがわかる。以上から、ガス配管長が１５０ｍｍ以上の場合、上記ガス条件のガスが完全に混ざり合うまでの反応時間を得ることができることがわかる。
【００７３】
ただし、条件Ｉのように、ガス配管長を５００ｍｍまで長くすると、ガス濃度は完全に均一になる。しかし、チャンバ上の蓋部分の限りあるスペースには、多くの外付け機器を配置する必要があることと、メンテナンス時にはチャンバ上の蓋を取り外す必要があることから、５００ｍｍの長さのガス配管をチャンバ上に配置することは現実には難しい。
【００７４】
図８（ｂ）に示した実験結果に基づき、ガス配管長は１５０ｍｍ以上であればよいことが実証されている。以上から、発明者は更なる実験を重ね、条件Ｊとしてガス配管５３内の流路をスパイラル形状にした。このような流路の構造により、コンダクタンスを悪化させずに、実現可能な最大長Ｌが２７５ｍｍであること、そして、このときのガス濃度の均一性は１．３％であり均一性が保たれていることを確認できた。また、この流路がスパイラル形状としたガス配管５３の入口から出口までの直線距離が６０ｍｍであったことから、ガス配管５３内の流路をスパイラル形状とすることでチャンバ１０上のスペースとしては約１／４（６０／２７５）まで縮小することができた。
【００７５】
［ＡｒガスとＣ４Ｆ８ガスが完全混合するまでの反応時間を得るための距離Ｌ］
次に、処理ガス中の主ガスのＡｒガスと調整ガスのＣ４Ｆ８ガスがガス配管の入口から流入され、出口から流出するときに完全混合するまでの反応時間τを得るための距離Ｌを算出する。
【００７６】
物質が反応により増減する場合、式（１）が成り立つ。
【００７７】
蓄積速度＝流入速度−流出速度＋生成速度  ・・・（１）
ガス配管内をＡｒガスとＣ４Ｆ８ガスの混合ガスが流れる場合のガスの混合状態について、図９を参照しながら説明する。図９に示したように各変数は以下のように定義される。
【００７８】
ＣＡin  ：ガス配管入口でのガス濃度（Ｍ）
ＣＡout ：ガス配管出口でのガス濃度（Ｍ）
Ｑ    ：ガス配管出入口でのガス流量（一定）
Ｓ    ：ガス配管の断面積（ｃｍ２）
Ｌ    ：ガス配管長（ｍｍ）
なお、図９のｘ＝０で示されたガス配管の入口は、ＡｒガスとＣ４Ｆ８ガスとを流入する位置である。ガス配管の入口では、ＡｒガスとＣ４Ｆ８ガスとはまったく混合されていないため、濃度差がある。
【００７９】
ガス配管の入口から流入したＡｒガスとＣ４Ｆ８ガスは、ガス配管内で拡散していき、ガス配管の内壁やガス同士で分子衝突を繰り返す。そして、ガス配管の出口では、ＡｒガスとＣ４Ｆ８ガスは完全に混ざり合い、濃度が均一な状態、つまり、ＡｒガスとＣ４Ｆ８ガスの理想混合ガス時の濃度に到達する。このときのガス配管長（長手方向の距離）をＬとする。
【００８０】
このように、０≦ｘ＜Ｌでは、ガス配管内のガスの濃度は均一ではない。このため、図９に示したように、ガス配管の入口から任意の距離ｘと、その距離から微少距離進んだｘ＋ｄｘとの微少体積内で濃度が均一と仮定して説明を続けると、この微少体積内では定常状態であり、各点の濃度変化はない。よって、式（１）の蓄積速度は０となる。微少体積内での式（１）の各速度を求めると以下のようになる。
【００８１】
蓄積速度＝０
流入速度＝ＣＡ｜ｘＱ
流出速度＝ＣＡ｜ｘ＋ｄｘＱ
生成速度＝ｒＡＳｄｘ
ここで、ｒＡは、反応速度（Ｍ／ｓ）である。
【００８２】
これを式（１）に代入し、両辺をｄｘＱで除すると次式（２）が得られる。
【００８３】
（ＣＡ｜ｘ＋ｄｘ−ＣＡ｜ｘ）／ｄｘ＝ｄＣＡ／ｄｘ＝ｒＡＳ／Ｑ  ・・・（２）
ｘ＝０のとき、ＣＡ＝ＣＡin、ｘ＝Ｌのとき、ＣＡ＝ＣＡoutであるから、式（２）を積分すると次式（３）が導き出される。
【００８４】
【数１】
2014086632.tif 000003
ここで、τは、ＡｒガスとＣ４Ｆ８ガスの混合ガスが理想混合ガス時の濃度に到達するまでの反応時間（一定）である。
【００８５】
一般的に、反応速度は多くの場合、対象物質Ａの濃度のｎ乗に依存する形をとり、式（４）で表される。
【００８６】
ｒＡ＝ｄＣＡ／ｄｔ＝±ｋＣＡｎ  ・・・（４）
ここで、ｋは、拡散係数である。
【００８７】
対象物質Ａが一次反応で減少している場合で考えてみると、一次反応であるから、式（４）のｎは１、対象物質Ａは減少するから式（４）の右辺は−になり、式（５）が得られる。
【００８８】
ｒＡ＝＝−ｋＣＡ  ・・・（５）
式（５）を式（３）に代入すると、次式（６）が得られる。
【００８９】
Ｌｎ（ＣＡin／ＣＡout）＝−ｋτ  ・・・（６）
式（３）のＳＬ／Ｑ＝Ｖ／Ｑ＝τを用いれば、ガス配管の体積Ｖと流量Ｑとにより理想混合ガス時の濃度に到達するまでの反応時間τが算出できる。算出された反応時間τ及び式（６）に基づき、ＡｒガスとＣ４Ｆ８ガスとのガス配管の入口と出口におけるガスの濃度比ＣＡin／ＣＡoutを求めることができる。
【００９０】
上記実験結果から、距離Ｌは１５０ｍｍ以上であればよいことがわかっている。よって、例えば、Ｌ＝１５０ｍｍとしたときの許容される濃度比ＣＡin／ＣＡoutを求めることにより、混合するガス種とガス流量とを定めることができる。
【００９１】
また、ＡｒガスとＣ４Ｆ８ガスとが混ざり合う前と混ざり合った後、つまり、ガス配管の入口と出口におけるガスの濃度比ＣＡin／ＣＡoutを算出できれば、算出された濃度比ＣＡin／ＣＡoutを式（６）に代入することにより、ＡｒガスとＣ４Ｆ８ガスの理想混合ガス時の濃度に到達するまでの反応時間τを算出できる。算出された反応時間τを式（３）に代入することにより、ＡｒガスとＣ４Ｆ８ガスの混合ガスが理想混合ガス時の濃度に到達するまでのガス配管の距離Ｌを求めることができる。
【００９２】
以上から、付加配管１３０が接続された第２の分岐部１２３に連結するガス配管５３のガス経路は、ガス配管５３の入口から流入された調整ガスと主ガスとの混合ガスがガス配管５３の出口において均一な濃度になるために必要な反応時間τが経過したとき又はその後、混合ガスがガス配管５３の出口に到達する距離Ｌであればよい。
【００９３】
あるいは、１５０ｍｍ以上の距離をもつガス配管５３を用いて、該ガス配管５３の入口から流入した調整ガスと主ガスとの混合ガスが該ガス配管５３の出口において均一な濃度になるために必要な反応時間τを算出し、制御部１００は、反応時間τに基づき、主ガスと調整ガスとの濃度比を算出することにより、主ガスと調整ガスとの濃度比を前記算出された濃度比以内に制御するようにしてもよい。
【００９４】
以上に説明したように、本実施形態によれば、複数のガス供給ゾーン４８，４９にガスを供給する複数のガス配管５３，５４のうち、少なくとも付加配管１３０が接続された第２の分岐部１２３に連結するガス配管５３には、スパイラル形状の屈曲部が形成される。これにより、ガス経路長を伸ばし、ＡｒガスとＣ４Ｆ８ガスとの分子量比に応じた濃度のバラツキを抑制することができる。
【００９５】
「変形例」
上記実施形態では、第２の分岐部１２３にエッチングを促進可能なＣ４Ｆ８ガスを供給したが、例えばウエハＷのエッジ側よりもセンタ側にＣＦ系の反応生成物の堆積が多く、センタ側のエッチングが遅れるような場合も考えられる。その場合には、第１の分岐部１２２にエッチングを促進可能なＣ４Ｆ８ガスを供給し、経路長を伸ばすためのガス配管５３を第１の分岐部１２２に連結してもよい。また、第１の分岐部１２２及び第２の分岐部１２３に所定量のＣ４Ｆ８ガスを供給し、経路長を伸ばすためのガス配管５３を第１の分岐部１２２及び第２の分岐部１２３のいずれにも連結するようにしてもよい。これにより、センタ側及びエッジ側の少なくともいずれかのエッチングレートを調整する際、ガス配管５３を用いてガス経路長を伸ばし、ＡｒガスとＣ４Ｆ８ガスとの分子量比に応じた濃度のバラツキを抑制することができる。
【００９６】
また、上記実施形態では、コンダクタンスを変化させずにガス経路長を伸ばすために、ガス配管５３の屈曲部の一例としてスパイラル形状を挙げたが、ガス配管５３の屈曲部はこれに限られず、図１０に示したように、ガス配管５３に、縦断面形状がＵ字状５３ｃの屈曲部を形成したり、図示しないＶ字状にしたりしてもよい。
【００９７】
また、上記実施形態では、調整ガスとして分子量２００のＣ４Ｆ８ガスを導入したが、他のＣＦ系ガスとして、例えば分子量１６２のＣ４Ｆ６ガス、分子量２１２のＣ５Ｆ８ガスを使用することができる。また、上記実施形態では、処理ガスの主ガスとして希釈ガスである分子量４４のＡｒガスを導入したが、例えば分子量４のＨｅガス等を使用してもよい。これらのガス種を組み合わせて使用した場合の調整ガスと主ガスとの分子量比の範囲は、調整ガスに分子量１６２のＣ４Ｆ６ガスを用い、主ガスに分子量４４のＡｒガスを用いた場合の３．６８（＝１６２／４４）が最小値となり、調整ガスに分子量２１２のＣ５Ｆ８ガスを用い、主ガスに分子量４のＨｅガスを用いた場合の５３（＝２１２／４）が最大値となる。すなわち、本実施形態で適用可能な主ガスと調整ガスとの分子量比は、３．６８〜５３の範囲であってもよい。
【００９８】
以上、本発明のプラズマ処理装置を実施例により説明したが、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の範囲内で種々の変形及び改良が可能である。また、上記実施形態及び変形例が複数存在する場合、矛盾しない範囲で組み合わせることができる。
【００９９】
例えば、本発明に係るプラズマを発生させる手段としては、容量結合型プラズマ(ＣＣＰ:Capacitively Coupled Plasma)発生手段、誘導結合型プラズマ(ＩＣＰ:Inductively Coupled Plasma)発生手段、ＲＬＳＡ（Radial Line Slot Antenna）マイクロ波プラズマやＳＰＡ（Slot Plane Antenna）プラズマを含むマイクロ波励起表面波プラズマ発生手段等を用いることができる。
【０１００】
また、本発明においてプラズマ処理を施される被処理体は、半導体ウエハに限られず、例えば、フラットパネルディスプレイ(FPD:Flat Panel Display)用の大型基板、ＥＬ素子又は太陽電池用の基板であってもよい。
【符号の説明】
【０１０１】
１：プラズマ処理装置、１０：チャンバ、１２：載置台（下部電極）、４０：上部電極（ガスシャワーヘッド）、４８：エッジ側ガス供給ゾーン、４９：センタ側ガス供給ゾーン、５０，５１：ガス導入孔、５３，５４：ガス配管、６０：分岐配管、６７：流量調整装置、６８：ガス供給源、６８ａ：第１のガスボックス、６８ｂ：第２のガスボックス、１００：制御部、１２０：混合配管、１２２：第１の分配部、１２３：第２の分配部、１３０：付加配管、ＧＭ：ガス供給機構
【図１】
2014086632.tif 000004
【図２】
2014086632.tif 000005
【図３】
2014086632.tif 000006
【図４】
2014086632.tif 000007
【図５】
2014086632.tif 000008
【図６】
2014086632.tif 000009
【図７】
2014086632.tif 000010
【図８】
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【図９】
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【図１０】
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