(57)【要約】【課題】プラズマ処理の形状制御性を向上させる。【解決手段】真空処理室１０２に設けられ、かつシャワープレート１０６によって仕切られたガス溜め１０７と、真空処理室１０２に導入される複数の処理ガスの流量をそれぞれに調整可能な複数のガス制御装置１１３と、複数のガス制御装置１１３からガス導入経路を介して複数の処理ガスを真空処理室１０２に供給するガス供給ユニット１０４と、を有するプラズマ処理装置１００である。そして、配管１３５の長さは、複数の処理ガスからなる混合ガスが配管１３５を通過するのに要する第１時間と、上記混合ガスが配管１３５の半径に相当する距離まで拡散するのに要する第２時間と、が等しくなる長さである。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
プラズマ処理が行われる処理室と、
前記処理室に設けられ、シャワープレートによって仕切られたガス溜めと、
前記処理室に導入される複数の処理ガスの流量をそれぞれに調整可能な複数のガス制御部と、
前記複数のガス制御部からガス導入経路を介して前記複数の処理ガスのそれぞれを前記処理室に供給するガス供給機構と、
を有し、
前記ガス導入経路は、一端が前記処理室に連通するガス導入口と接続されたガス混合用の第１配管と、前記第１配管の他端に接続され、かつ前記第１配管の前記他端との接続箇所から放射状に配置された複数の第２配管と、を有し、
前記複数の第２配管は、前記複数のガス制御部と同数設けられ、かつ前記複数の第２配管のそれぞれは前記複数のガス制御部と連通し、
前記第１配管の長さは、前記複数の処理ガスからなる混合ガスが前記第１配管を通過するのに要する第１時間と、前記混合ガスが前記第１配管の半径に相当する距離まで拡散するのに要する第２時間と、が等しくなる長さである、プラズマ処理装置。
【請求項２】
請求項１に記載のプラズマ処理装置において、
前記第１配管の長さは、３０ｃｍ以下である、プラズマ処理装置。
【請求項３】
請求項１に記載のプラズマ処理装置において、
前記第１配管の長さは、前記プラズマ処理で前記処理室に導入される処理ガスの流量をＱ、前記処理ガスの前記第１配管内での平均圧力、平均自由行程、ガス分子の速度をそれぞれｐ、λ、ｖとすると、３Ｑ／（πｐλｖ）で表される、プラズマ処理装置。
【請求項４】
請求項３に記載のプラズマ処理装置において、
前記プラズマ処理に用いる前記処理ガスの流量および種類による処理条件が複数ある場合に、前記３Ｑ／（πｐλｖ）の値が最も大きくなる処理条件の時の前記値が前記第１配管の長さである、プラズマ処理装置。
【請求項５】
請求項１、２、３または４に記載のプラズマ処理装置において、
前記プラズマ処理で前記処理室に導入される処理ガスの流量をＱ、前記処理ガスの前記第１配管内での平均自由行程およびガス分子の速度をそれぞれλ、ｖとし、さらに前記第１配管の直径をｄ1とし、前記第２配管の直径、長さおよび内部のガス圧力をそれぞれｄ2、Ｌ2、ｐ2とすると、前記プラズマ処理の処理条件は、（３ｄ12／λｖ＋ｐ2πｄ22Ｌ2／４Ｑ）の値が最小になるように設定される、プラズマ処理装置。
【請求項６】
請求項５に記載のプラズマ処理装置において、
前記プラズマ処理に用いる処理ガスの流量および種類による前記処理条件が複数ある場合に、前記（３ｄ12／λｖ＋ｐ2πｄ22Ｌ2／４Ｑ）におけるｄ1が最も小さくなる前記処理条件の時の前記ｄ1が、前記第１配管の直径である、プラズマ処理装置。
【請求項７】
請求項１に記載のプラズマ処理装置において、
前記複数のガス制御部のそれぞれは、前記ガス溜めに連通する第１経路から分岐して排気装置に連通する第２経路に繋がっており、前記第１経路から前記第２経路に分岐する分岐箇所と、前記第１配管の前記ガス導入口と接続されていない前記他端との間には第１バルブが配置され、かつ前記分岐箇所と、前記排気装置との間には第２バルブが配置されている、プラズマ処理装置。
【請求項８】
請求項７に記載のプラズマ処理装置において、
前記第１バルブは、複数配置されており、
前記複数の第１バルブは、前記第１配管の前記ガス導入口と接続されていない前記他端を中心として形成される仮想円に外接するように配置され、
前記仮想円の直径は、前記仮想円と外接する前記複数の第１バルブが互いに重ならないように配置される最小の直径である、プラズマ処理装置。
【請求項９】
請求項１に記載のプラズマ処理装置において、
平面視で、前記ガス溜めにおいて、お互いに対向する位置に前記ガス導入口が配置されている、プラズマ処理装置。
【請求項１０】
請求項８に記載のプラズマ処理装置において、
前記第２配管の長さをＬ2とし、側面視における前記第１バルブの幅をＷとし、ガス種類数をＮとすると、前記第２配管の長さは、Ｌ2＝Ｗ／２ｔａｎ（３６０°／２Ｎ）で表される、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、プラズマエッチングなどのプラズマ処理を行うプラズマ処理装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、半導体デバイスは微細化が進んでおり、加工寸法は１０ｎｍ以下の領域に至っている。また半導体デバイスの構造も、プレーナ型の構造から３次元構造へと変化している。このような変化を受け、近年の半導体デバイスの形状加工においては原子レベルの制御が要求されている。例えば、基板や基板上に成膜された材料を垂直方向にエッチングする工程では、エッチングが水平方向に進むことによるアンダーエッチを抑えつつ、エッチ深さと開口幅の比であるアスペクト比が大きく、エッチングにより形成される壁が垂直かつ滑らかであることが、原子レベルのスケールで求められる。
【０００３】
このような微細加工を実現するため、使用するガス種（ガス種類）・流量・処理室内圧力・処理時間といった処理条件の組み合わせ（ステップ）を複数用意し、それら異なる特性を持つステップを周期的に処理することで、被エッチング側壁への保護膜形成とエッチングの進行などを各々独立に制御する、サイクルエッチという手法が用いられる場合がある。サイクルエッチではエッチングで形成される垂直方向の壁に周期的な凹凸（スキャロッピング）が見られる場合があるが、各ステップの時間短縮が実現可能であれば、一般にスキャロッピング振幅は低減できる。
【０００４】
一方、ステップの切り替え直後においては、処理室内に所望の種類のガスが導入されておらず、また圧力などの条件も一時的に不安定になる遷移時間が存在する場合があり、原子レベルの精密な形状加工性を求めて各ステップ時間を短縮する場合、プラズマ処理全体に占めるこの遷移時間の割合が大きいためその影響が特に顕著に現れる虞がある。以下にこの遷移時間による課題を述べる。
【０００５】
この遷移時間の間は処理条件が不安定でありエッチングの再現性を低下させる要因となり得る。あるステップが終了したら一度プラズマ放電を中断し、その状態で次のステップのガスを処理室に導入し、処理室内の圧力などの条件が整定されてからプラズマを再び放電するという手法を用いることも可能である。しかしながら、ステップ切り替えのたびにプラズマ放電を中断すると、放電を中断している間エッチングが行われないことによるスループットの低下に加え、放電中にシースにトラップされていたパーティクルがウェハ上に落下し、パーティクルの下部がエッチングされないことによる加工不良を起こしてしまうという問題があった。
【０００６】
このような問題を回避するため、プラズマを維持したままステップを切り替える手法が用いられることがある。しかし、上述したようにステップ切り替えに伴う遷移状態は、エッチングの再現性の低下に加えて、所望のレートでエッチングされないことによるスループットの低下を招く。
【０００７】
以上に述べたような遷移時間の課題は、原子レベルの精密な形状加工性を求めて各ステップ時間を短縮する場合、プラズマ処理全体に占める遷移時間の割合が大きいが故に特に顕著に現れる。そのため、ステップ切り替え後に処理室内の条件が整定されるまでの時間を短縮することで、この遷移時間の影響を抑えることが要求されている。
【０００８】
ステップ切り替えに伴う遷移時間を短縮する手法としては、例えば特許文献１（特開２００８−９１６５１号公報）がある。上記特許文献１には、処理室内にガスを導入するために用いられるマスフローコントローラの遅延を解消する手法が記載されている。処理室内へのガスの導入では、マスフローコントローラによるガス流量の制御が広く行われているが、マスフローコントローラに、所望の流量のガスを流すよう指示してから実際に流量がその値になるまでには時間差がある。この立ち上がりの時間差によって処理室に導入されるガス流量が一時的に不安定になり、処理室内の条件の不安定化につながる。そこで次のステップに用いるマスフローコントローラを予め立ち上げて次のステップのガスを排気ラインに流し、ステップが切り替わった瞬間に排気ラインに流していたガスを処理室に流すように切り替えることで、マスフローコントローラの立ち上がり遅延を解消する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００８−９１６５１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
以上に述べたように、複数のステップを切り替えながらプラズマ処理を行う時、ステップ切り替え直後の不安定な遷移時間を短縮することは、特に原子層レベルのエッチングが求められる技術において、高精度な加工形状の制御ために重要である。
【００１１】
このステップ切り替えに時間を要する原因のひとつは、マスフローコントローラから処理室までの配管の距離である。配管が長いと、マスフローコントローラによって制御されたガスが処理室に到達するまでに時間を要するため、ステップ切り替えによる遷移時間が長くなってしまう。
【００１２】
また、複数のガス種を混合する場合、混合の手法によってはガス種ごとに真空処理室までの距離が異なることがある。この場合、ガス種ごとにガスの真空処理室までの到達時間が異なることになり、処理室内の条件の整定における不安定要因となることが課題である。
【００１３】
本発明の目的は、プラズマ処理においてステップ切り替えから処理室内の条件が安定するまでの時間を短縮させて、プラズマ処理における被処理材の形状制御性を向上させることができる技術を提供することにある。
【００１４】
本発明の前記の目的と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本願において開示される実施の形態のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、次のとおりである。
【００１６】
一実施の形態におけるプラズマ処理装置は、プラズマ処理が行われる処理室と、上記処理室に設けられ、シャワープレートによって仕切られたガス溜めと、上記処理室に導入される複数の処理ガスの流量をそれぞれに調整可能な複数のガス制御部と、上記複数のガス制御部からガス導入経路を介して上記複数の処理ガスのそれぞれを上記処理室に供給するガス供給機構と、を有する。さらに、上記ガス導入経路は、一端が上記処理室に連通するガス導入口と接続されたガス混合用の第１配管と、上記第１配管の他端に接続され、かつ上記第１配管の他端との接続箇所から放射状に配置された複数の第２配管と、を有する。さらに、上記複数の第２配管は、上記複数のガス制御部と同数設けられ、かつ上記複数の第２配管のそれぞれは上記複数のガス制御部と連通し、上記第１配管の長さは、上記複数の処理ガスからなる混合ガスが上記第１配管を通過するのに要する第１時間と、上記混合ガスが上記第１配管の半径に相当する距離まで拡散するのに要する第２時間と、が等しくなる長さである。
【発明の効果】
【００１７】
本願において開示される発明のうち、代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば以下のとおりである。
【００１８】
ステップ切り替えから処理室内の条件が安定するまでに要する時間を短縮することができる。その結果、サイクルエッチの短周期化に伴うスループット低下を抑制することができ、プラズマ処理における形状制御性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の実施の形態に係わるプラズマ処理装置の模式的な構造の一例を示す概略図である。
【図２】図１に示すプラズマ処理装置をガス溜めにおいて上方から眺めた構造の一例を示す平面図である。
【図３】図１に示すプラズマ処理装置におけるガス供給ユニット（ガス供給機構）の内部の部品の配置の一例を示す斜視図である。
【図４】図１に示すプラズマ処理装置におけるガス配管の直径とガス導入時間との関係の一例を示すグラフ図である。
【図５】図１に示すプラズマ処理装置における複数のガス配管とバルブの配置構造の一例を示す部分側面図である。
【図６】本発明者が検討したガス導入口の設置箇所が１箇所の場合のガス溜めにおけるガスの圧力分布を示す平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本実施の形態を、図１を用いて説明する。図１は本発明の実施の形態に係わるプラズマ処理装置の模式的な構造の一例を示す概略図である。図１に示すプラズマ処理装置１００は、その一例であるマイクロ波ＥＣＲ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｃｙｃｌｏｔｒｏｎ  Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）プラズマエッチング装置である。ここでは、真空処理室１０２の内部に設置された電極、真空処理室１０２の外部に設置された電界、磁界の供給装置、および電源などが模式的に示されている。
【００２１】
図１に示す本実施の形態のプラズマ処理装置１００の概略について説明すると、プラズマ処理装置１００は、被処理材であるシリコンウェハ（以降、単にウェハ１０１ともいう）に対してプラズマエッチング処理が行われ、かつ上部が開放された真空処理室（処理室）１０２を備えている。この真空処理室１０２の開放上部には、エッチングガスを導入するための複数の細孔１３２が形成された円板形状のシャワープレート１０６および誘電体窓１０５が設置されている。すなわち、プラズマエッチングを実施する際の処理ガスはシャワープレート１０６に設けられた複数の細孔１３２を介して導入される。
【００２２】
また、真空処理室１０２の上部に設けられた誘電体窓１０５によって真空処理室１０２内は気密に封止されている。さらに、真空処理室１０２内には、シャワープレート１０６に対向して、試料台である下部電極１０３が設置されている。そして、下部電極１０３の上にロボットアームなどの搬送装置（図示せず）により、プラズマエッチング処理されるウェハ１０１が搬送される。
【００２３】
次に、プラズマ処理装置１００について詳細に説明する。プラズマソース用電源、例えばマイクロ波源１１９から発振されたマイクロ波は、方形導波管１２１、方形円形導波管変換機１２９、円形導波管１３０を介して真空処理室１０２に導入される。そして、自動整合器１２０により反射波を自動的に抑制することができる。マイクロ波源１１９としては、例えば、発振周波数２．４５ＧＨｚのマグネトロンを用いた。
【００２４】
円形導波管１３０は、空洞共振部１１１に接続される。空洞共振部１１１は、マイクロ波電磁界分布をプラズマ処理に適した分布に調整する働きを持つ。
【００２５】
空洞共振部１１１の下部には、マイクロ波導入窓である誘電体窓１０５やシャワープレート１０６を介して、真空処理室１０２が設けられている。つまり、空洞共振部１１１と真空処理室１０２との間にシャワープレート１０６が設けられ、さらにシャワープレート１０６によって仕切られたガス溜め１０７が設けられている。そして、真空処理室１０２に導入されたマイクロ波と、ソレノイドコイル１２２、１２３、１２４によって形成される磁界による電子サイクロトロン共鳴（以下ＥＣＲともいう）とによって、真空処理室１０２内に反応性ガスのプラズマが形成される。
【００２６】
なお、ＥＣＲとは、ソレノイドコイル１２２、１２３、１２４が生成する磁界の磁力線に沿って電子が回転しながら移動するところに、その回転周期に対応した周波数のマイクロ波がプラズマに入射することで電子を選択的に加熱することを言い、プラズマの効果的な加熱方法である。また、静磁界を用いる他の利点として、静磁界の分布を変化させることでＥＣＲが発生する位置を制御することができ、プラズマ発生領域を制御することができる。静磁界の分布は、３つのソレノイドコイルに流す電流を変えることで制御することができる。さらにプラズマは磁力線に対して垂直な方向に拡散が抑制されることが知られており、プラズマの拡散を制御し、プラズマの損失を低減することができる。これらの効果により、プラズマの分布を制御することができ、したがって、プラズマ処理の均一性を高めることができる。
【００２７】
また、真空処理室１０２の外部には、真空処理室１０２に導入される複数の処理ガスの流量をそれぞれに調整可能な複数のガス制御装置（ガス制御部）１１３が設けられている。詳細には、複数のガス源１１４から供給される反応性ガス（処理ガス）は、ガス制御装置１１３内でそれぞれ流量が制御され、真空処理室１０２に連通する配管（第１配管）１３５および配管（第２配管）１１２を介して、さらに試料台である下部電極１０３に対向する面に設置されたシャワープレート１０６を介して真空処理室１０２に導入される。また、真空処理室１０２内のガスは、排気装置であるターボ分子ポンプ（以降、ＴＭＰ）１０８から排気される。また、ＴＭＰ１０８の上流部に設けられた排気コンダクタンス調整弁１０９は、圧力計１２８の測定値が所望の値となるようにフィードバック制御され、その開度が調整される。
【００２８】
また、プラズマ処理装置１００には、複数のガス制御装置１１３からガス導入経路を介して複数の処理ガスのそれぞれを真空処理室１０２に供給するガス供給ユニット（ガス供給機構）１０４が設けられている。
【００２９】
なお、被処理材であるウェハ１０１は、静電吸着によって下部電極１０３に吸着保持可能である。そして、下部電極１０３に、高周波電源１２６よりプラズマソース用電源の周波数より低い、例えば周波数４００ｋＨｚの高周波が整合器を介して印加されることにより処理性能の制御を向上できるとともに処理速度の向上を図ることができる。
【００３０】
また、真空処理室１０２、下部電極１０３およびＴＭＰ１０８は、それぞれ略円筒形であり、その円筒の軸が同一となっている。下部電極１０３は、真空処理室１０２内で梁によって支持されている。
【００３１】
以上の構成は、すべて制御用コンピュータに接続され、適切なシーケンスで動作するようそのタイミング、動作量がコントロールされている。動作シーケンスの詳細パラメータはレシピと呼ばれ、予め設定されたレシピに基づいた動作がなされる。
【００３２】
レシピは通常、複数のステップから構成されている。ステップ毎にガス種・ガス流量をはじめとする処理条件が設定されており、各ステップは予め設定された時間、順番に実行される。またステップ切り替えの際には、プラズマ形成を中断する方式とプラズマを維持する方式がある。
【００３３】
次に、本実施の形態のプラズマ処理装置１００のガス供給系について説明する。
【００３４】
本実施の形態では、特にステップ間でプラズマを維持しながら処理ガスを切り替える場合において、真空処理室１０２内の処理ガスを高速に置換可能とする、最適な装置構成の例を、図１、図２および図３を用いて説明する。既に説明した図１に示されたものと同一の符号を付された構成と、同一の機能を有する部分については、説明を省略する。図２は図１に示すプラズマ処理装置をガス溜めにおいて上方から眺めた構造の一例を示す平面図、図３は図１に示すプラズマ処理装置におけるガス供給ユニットの内部の部品の配置の一例を示す斜視図である。
【００３５】
図２に示すように、ガス供給ユニット（ガス供給機構）１０４は、同一構成のものが２台、略円筒形のコイルケース１２７の外周側に密接し、かつ真空処理室１０２の中心軸に対して略対称になるように配置されている。
【００３６】
各ガス供給ユニット１０４内には、ガス種毎にガス制御装置１１３とこのガス制御装置１１３に接続された配管１１２とが、配管１３５の、ガス流れに対する上流側（以下、入口という）の端（図３のＳ部）を中心として図３に示すように略放射状に配置されている。さらに、図１に示す真空処理室１０２とガス制御装置１１３とは、誘電体窓１０５およびシャワープレート１０６によって構成されるガス溜め１０７と略同一平面内に配置される図２に示すガス導入口１１０と、配管１３５および配管１１２並びにガス供給の開始・停止を制御するためのバルブ（第１バルブ）１１５とを介して連通されている。
【００３７】
また、図２に示すように、各ガス供給ユニット１０４と連通する各ガス導入口１１０は、ガス溜め１０７内において対向するように配置される。さらに、図１に示すように、配管１３５は、ソレノイドコイル１２３とソレノイドコイル１２４の間を通り、真空処理室１０２の周囲に沿って配置され、図２に示すガス導入口１１０と連通されている。そして、図１に示すように、コイルケース１２７は、ソレノイドコイル１２３とソレノイドコイル１２４の間で上下に分離できるようになっている。
【００３８】
また、真空処理室１０２に処理ガスを導入するガス導入経路は、一端が真空処理室１０２に連通するガス導入口１１０と接続されたガス混合用の配管（第１配管）１３５と、配管１３５の他端に接続され、かつ配管１３５の上記他端との接続箇所Ｓ（図３参照）から放射状に配置された複数の配管（第２配管）１１２と、を有している。そして、これら複数の配管１１２は、図３に示すように、複数のガス制御装置１１３と同数設けられ、かつ複数の配管１１２のそれぞれはガス制御装置１１３と連通している。
【００３９】
ここで、図２に示す配管１３５の最適な長さＬ1は、後述するように、エッチング処理で用いるガスの流量をＱ、配管１３５内の平均圧力、平均自由行程、ガス分子の速度をそれぞれｐ、λ、ｖで表すとき、Ｌ1＝３Ｑ／（πｐλｖ）で表される。そして、エッチング処理に用いる処理条件が複数あるときは、上記のＬ1が最も大きくなる処理条件を用いて計算した値が配管１３５の最適な長さである。
【００４０】
また、配管１３５の最適な直径ｄ1は、後述するように、配管１１２の直径、長さ、および内部のガス圧力をそれぞれｄ2、Ｌ2、ｐ2とするとき、（３ｄ12／λｖ＋ｐ2πｄ22Ｌ2／4Ｑ）が最小になるようなｄ1である。エッチング処理に用いる処理条件が複数あるときは、上記のｄ1が最も小さくなる処理条件を用いて計算した値が配管１３５の最適な直径である。
【００４１】
一方、後述する図５に示す配管１１２の最適な長さＬ2は、ガス種によって異なる。図５に示すバルブ１１５における図５に示した寸法ｗと、ガス種の数Ｎを用いて、Ｌ2＝ｗ／２ｔａｎ（３６０°／２Ｎ）のように表される。
【００４２】
そして、プラズマ処理装置１００では、図２に示すように、複数の配管１１２のそれぞれの長さは、配管１３５の長さより短い（Ｌ2＜Ｌ1）。
【００４３】
以上の構成により各々のガス制御装置１１３は、真空処理室１０２の極近傍に配置され、各々のガス制御装置１１３とガス溜め１０７とを接続する部分（配管１３５と配管１１２）の容積およびある同一ガスの流量に対するコンダクタンスを等しくし、かつガスを混合させるという条件下で配管長を最小にすることが可能である。
【００４４】
また、それぞれの配管１１２には、図１に示すように、粗引きポンプ（排気装置）１１８に連通するガスの配管１１７と、ガスの経路を選択するためのバルブ（第２バルブ）１１６とが備えられており、ガス制御装置１１３の動作開始に伴う応答遅れがガス置換の応答性に影響しないように動作させることが可能である。その動作手順については後述する。
【００４５】
つまり、図１および図２に示すように、複数のガス制御装置１１３のそれぞれは、ガス溜め１０７に連通する第１経路１３７から分岐して粗引きポンプ１１８に連通する第２経路１３８に繋がっており、第１経路１３７と第２経路１３８の分岐箇所Ｔと、配管１３５のガス導入口１１０と接続されていない他方の端（接続箇所Ｓ）と、の間にはバルブ（第１バルブ）１１５が配置されている。さらに、分岐箇所Ｔと粗引きポンプ１１８との間、すなわち第２経路１３８にはバルブ（第２バルブ）１１６が配置されている。なお、粗引きポンプ１１８と連通する第２経路１３８は、バルブ１２５を介してＴＭＰ（排気装置）１０８とも連通している。
【００４６】
次に、配管１３５の長さおよび直径、並びに配管１１２の長さについて説明する。一般に、円形断面のガス配管をガスが通過するのに必要な時間Ｔは、流量をＱ、配管長をＬ、配管の直径をｄ、配管内の圧力をｐとすれば、Ｔ＝ｐπｄ2Ｌ／４Ｑと表される。ここで典型的な値、例えばＱ＝１００ｃｃｍ、ｐ＝３ｋＰａ、ｄ＝４．３５ｍｍを用いた場合、配管１ｍにつきガスの導入が０．２６ｓ遅れる。このことから、ガス制御装置１１３より、バルブ１１５、配管１１２および配管１３５、さらにガス導入口１１０を介してガス溜め１０７まで通じる経路のガス配管を短くすれば、ガス導入時間を短縮できることが分かる。
【００４７】
その一方で、同一のウェハ内において加工形状が一様になるようにするには、ガス導入時にガス溜め１０７の内部において各ガス種が均一に混合されていることが求められる。それには、ガス溜め１０７より上流に一定長さの配管を配置し、その中でガスを混合する必要がある。ガス配管の内部では数千Ｐａ程度と低圧となるため、レイノルズ数が５０〜２００程度と小さい、すなわちガス流れは層流である。そのため、混合は主に気体の熱運動に伴う拡散に依るところとなる。そして、平均自由行程をλ、気体分子の平均速度をｖとすると、拡散における速度を表す拡散定数Ｄは、Ｄ＝λｖ／３で表され、気体が長さｘだけ離れた場所まで拡散するのに必要な時間はＴＤ＝ｘ2／Ｄと表される。ガス混合用のガス配管を設ける場合、その内部をガスが通過する時間と、ガスが配管の直径方向に十分拡散する時間と、が等しい時にガスの配管長さが最短となり，ガスを混合しつつガス導入時間を短縮することができる。言い換えると、配管１３５の長さは、複数の処理ガスからなる混合ガスが配管１３５を通過するのに要する第１時間と、上記混合ガスが配管１３５の半径に相当する距離まで拡散するのに要する第２時間と、が等しくなる長さである。
【００４８】
上述のことを考慮すると、上記ＴＤの式のｘをガス配管の半径としたとき、配管１３５の最短の長さＬ1minは、先に記した通りＬ1min＝３Ｑ／（πｐλｖ）となる。例えば常温のアルゴン分子を用いる場合は、λ＝０．００７／ｐ〔ｍ〕、ｖ＝４３２ｍ／ｓなので、Ｑの単位をｃｃｍとすれば、Ｌ1min＝０．０５３Ｑ〔ｃｍ〕となるから、例えば比較的大流量となるアルゴン５００ｃｃｍのプロセスではＬ1minが約３０ｃｍとなる。すなわち、配管１３５の長さは、３０ｃｍ以下であることが好ましい。
【００４９】
ただし、一般的にプラズマ処理装置は複数の処理条件を用いるため、これら処理条件によってＬ1minの長さが異なる。そのため、配管１３５の最適な長さＬ1は、使用する処理条件の中から最もＬ1minが長くなるものを選び、そのときのＬ1minの値をＬ1とする。
【００５０】
一方、配管１３５の直径について考えると、直径が小さければ小さいほど、ガスの拡散にかかる時間が短くなるため、配管１３５の中をガスが通過するのに費やす時間は短くて済む。しかしながら、配管１３５の直径を小さくするとコンダクタンスが小さくなるため、配管入口の圧力が大きくなってしまう。配管１３５の入口の圧力が大きくなるとそれに接続されている配管１１２の内部の圧力も大きくなるが、先に述べたようにガス配管を通過するのに必要な時間Ｔは圧力に比例するため、配管１１２をガスが通過するのに必要な時間はかえって長くなってしまう。
【００５１】
そして、配管１３５と配管１１２にガスを導入する時間は、先に述べたＴＤおよびＴの和である（３ｄ12／λｖ＋ｐ2πｄ22Ｌ2／４Ｑ）によって計算でき、例えば図４に示すような、配管１３５の直径とガス導入時間のグラフをプロットすることができる。ここからガス導入に必要な時間が最も短くなる配管１３５の直径の最適値を求めることが可能である。なお、図４から分かるように、ガス配管の直径が最適な直径より小さくなるとガス導入時間が急激に伸びるが、直径が大きくなる場合にはガス導入時間はそれほど変化しない。よって、複数のエッチング処理条件を用いる場合は、配管１３５の直径の最適値が最も小さくなる処理条件を見つけ、その処理条件で計算される最適値を直径とすればよい。
【００５２】
ガス導入時間を短縮するには、配管１３５の入口からガス制御装置１１３までの経路についても配管長さを最小にすることが求められる。どのガス種についても配管の長さを同じように短くするには、配管１３５の入口から各ガス種のバルブ１１５までの配管を放射状に配置すればよい。このとき各ガス種のバルブ１１５が互いに干渉せず、かつ配管１１２の長さが最小になるようにするには、図５に示すように配管１１２の長さを半径とする円と外接するようにバルブ１１５を配置すればよい。ここで、図５は、図１に示すプラズマ処理装置における複数のガス配管とバルブの配置構造の一例を示す部分側面図である。なお、図３に示すように、バルブ（第１バルブ）１１５は、ガス制御装置１１３の設置数に対応して複数配置されている。そして、複数のバルブ１１５のそれぞれは、図２に示す配管１３５のガス導入口１１０と接続されていない他方の端（接続箇所Ｓ）を中心として形成される図５に示す仮想円１３６に外接するように配置されており、その際、仮想円１３６の直径は、仮想円１３６と外接する複数のバルブ１１５のそれぞれが互いに重ならないように配置される最小の直径である。
【００５３】
また、図５に示すように、複数のバルブ１１５のそれぞれの仮想円１３６に外接する辺の長さをｗとし、ガス種の数をＮとすると、バルブ１１５は一辺の長さがｗの正Ｎ角形を形成することから、配管１１２の長さＬ2は、Ｌ2＝ｗ／２ｔａｎ（３６０°／２Ｎ）で表される。そして、放射状に設置された複数の配管１１２のそれぞれの長さは、お互いに等しくなっている。
【００５４】
なお、図２に示すガス溜め１０７においては、すべてのガス種が均一に混合しているだけではなく、混合したガスの圧力分布が均一であることも求められる。なぜなら、ガス溜め１０７の内部の圧力分布が均一でないと、場所によってシャワープレート１０６の細孔１３２から流出するガスの流量が異なり、図１に示すウェハ１０１の加工形状の均一性に影響が出るためである。仮に、図２に示すガス導入口１１０がガス溜め１０７に一箇所しか設置されていない場合、図６に示すようにガス導入口１１０から離れるほどガスの圧力が小さくなるという分布になってしまう。ここで、図６は、本発明者が検討したガス導入口の設置箇所が１箇所の場合のガス溜めにおけるガスの圧力分布を示す平面図である。したがって、本実施の形態のプラズマ処理装置１００では、ガス溜め１０７において、ガス導入口１１０が２箇所に設置されている。すなわち、平面視でガス溜め１０７において、お互いに対向する位置にガス導入口１１０が配置されている。このようにすることで、ガス溜め１０７におけるガスの圧力分布を均一にすることが可能になる。
【００５５】
また、図１に示すガス制御装置１１３、バルブ１１５およびバルブ１１６は、以下に示す手順で動作を行う。その動作手順を説明すると、処理前は、すべてのガス制御装置１１３がその流量は０に設定され、また、バルブ１１５およびバルブ１１６は共に閉じている。
【００５６】
次に、処理が開始され、あるガス種が次のステップで必要になると、制御コンピュータは次のステップで設定された流量でガスを流すようにそのガスに対応するガス制御装置１１３に要求を送る。同時にそのガスに対応するバルブ１１６を開き、もう一方のバルブ１１５は閉じることで、ガス制御装置１１３と排気ポンプであるＴＭＰ１０８を連通させる（バルブ１２５も開ける）。そして次のステップに切り替わると、バルブ１１６を閉じ、もう一方のバルブ１１５を開くことで、真空処理室１０２にガスを供給する。
【００５７】
本来、ガス制御装置１１３は、ある流量でガスを流すよう要求してから実際にその流量で流れるようになるまでに時間がかかる。その結果、ステップが切り替わってから実際に真空処理室１０２に所望のガスが所望の流量で導入されるまでには時間差が生じる。しかし、本実施の形態のプラズマ処理装置１００では、上述のようなバルブ１１５およびバルブ１１６の動作によって事前にガス制御装置１１３に次のステップの準備させることができ、これにより、処理ステップが切り替わってから短時間で真空処理室１０２に所望のガスを所望の流量で導入することが可能になる。
【００５８】
以上の構成により、ステップを切り替えてからガスが導入されるまでの時間を短縮することができ、プラズマ処理装置１００の被処理材の形状制御性を向上することができる。つまり、配管１３５および配管１１２からなるガス配管の短縮化およびガス種ごとの配管長さの統一化により、ステップ切り替えから真空処理室１０２内の処理条件が安定するまでに要する時間を短縮化することができる。その結果、サイクルエッチの短周期化に伴うスループット低下を抑制することができ、プラズマ処理における被処理材の形状制御性を向上させることができる。
【００５９】
以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は上記した実施の形態に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施の形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。
【００６０】
また、ある実施の形態の構成の一部を他の実施の形態の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施の形態の構成に他の実施の形態の構成を加えることも可能である。また、各実施の形態の構成の一部について、他の構成の追加、削除、置換をすることが可能である。なお、図面に記載した各部材や相対的なサイズは、本発明を分かりやすく説明するため簡素化・理想化しており、実装上はより複雑な形状となる。
【００６１】
なお、上記実施の形態で説明した構造や方法については、上記実施の形態のものに限定されるものではなく、様々な応用例が含まれる。例えば、上記実施の形態では、プラズマ処理装置の一例として、電子サイクロトロン共鳴プラズマエッチング装置（ＥＣＲ）に関して説明したが、誘導結合型プラズマ（ＩＣＰ：Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ  Ｃｏｕｐｌｅｄ  Ｐｌａｓｍａ）や容量結合型プラズマ（ＣＣＰ：Ｃａｐａｃｉｔｉｖｅｌｙ  Ｃｏｕｐｌｅｄ  Ｐｌａｓｍａ）等のプラズマ処理装置においても同様の効果を得ることができる。
【符号の説明】
【００６２】
１００  プラズマエッチング処理装置（プラズマ処理装置）
１０１  ウェハ
１０２  真空処理室（処理室）
１０３  下部電極
１０４  ガス供給ユニット（ガス供給ユニット）
１０５  誘電体窓
１０６  シャワープレート
１０７  ガス溜め
１０８  ＴＭＰ（排気装置）
１０９  排気コンダクタンス調整弁
１１０  ガス導入口
１１１  空洞共振部
１１２  配管（第２配管）
１１３  ガス制御装置（ガス制御部）
１１４  ガス源
１１５  バルブ（第１バルブ）
１１６  バルブ（第２バルブ）
１１７  配管
１１８  粗引きポンプ（排気装置）
１１９  マイクロ波源
１２０  自動整合器
１２１  方形導波管
１２２、１２３、１２４  ソレノイドコイル
１２５  バルブ
１２６  高周波電源
１２７  コイルケース
１２８  圧力計
１２９  方形円形導波管変換機
１３０  円形導波管
１３２  細孔
１３５  配管（第１配管）
１３６  仮想円
１３７  第１経路
１３８  第２経路
【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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