(57)【要約】【課題】プラズマ密度を増加させることが可能な構造を有するプラズマ処理装置を提供する。【解決手段】マイクロ波を供給するマイクロ波供給部と、処理容器の天壁の上に設けられ、前記マイクロ波供給部から供給されたマイクロ波を放射するマイクロ波放射部材と、前記天壁の開口を塞ぐように設けられ、前記マイクロ波放射部材を介してスロットアンテナに通されたマイクロ波を透過する誘電体からなるマイクロ波透過部材と、を有し、前記天壁には、前記マイクロ波透過部材を透過して前記天壁の開口から該天壁の表面を伝搬するマイクロ波の表面波の波長をλｓｐとしたときに前記開口よりも外側にλｓｐ／４±λｓｐ／８の範囲の深さの凹部が形成される、マイクロ波プラズマ処理装置が提供される。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
マイクロ波を供給するマイクロ波供給部と、
処理容器の天壁の上に設けられ、前記マイクロ波供給部から供給されたマイクロ波を放射するマイクロ波放射部材と、
前記天壁の開口を塞ぐように設けられ、前記マイクロ波放射部材を介してスロットアンテナに通されたマイクロ波を透過する誘電体のマイクロ波透過部材と、を有し、
前記天壁には、前記マイクロ波透過部材を透過して前記天壁の開口から該天壁の表面を伝搬するマイクロ波の表面波の波長をλｓｐとしたときに前記開口よりも外側にλｓｐ／４±λｓｐ／８の範囲の深さの凹部が形成される、マイクロ波プラズマ処理装置。
【請求項２】
前記凹部は、前記天壁の開口の端部から外側に１０ｍｍ〜１００ｍｍの範囲離れて１又は複数形成される、
請求項１に記載のマイクロ波プラズマ処理装置。
【請求項３】
前記天壁の開口は、該天壁の円周方向に複数あり、複数の前記天壁の開口を塞ぐように複数の前記マイクロ波透過部材が設けられ、
前記凹部は、複数の前記マイクロ波透過部材が露出する複数の前記天壁の開口の全体を囲むようにリング状に形成される、
請求項１又は２に記載のマイクロ波プラズマ処理装置。
【請求項４】
前記天壁の開口は、該天壁の円周方向に複数あり、複数の前記天壁の開口を塞ぐように複数の前記マイクロ波透過部材が設けられ、
前記凹部は、複数の前記マイクロ波透過部材が露出する複数の前記天壁の開口のそれぞれを囲むようにリング状に形成される、
請求項１又は２に記載のマイクロ波プラズマ処理装置。
【請求項５】
複数の前記マイクロ波透過部材のそれぞれに対応する前記凹部は、隣り合う前記マイクロ波透過部材の対向位置又はその近傍に応じた位置に凹みのない開口部を有する、
請求項４に記載のマイクロ波プラズマ処理装置。
【請求項６】
前記凹部は、テーパー形状に形成される、
請求項１〜５のいずれか一項に記載のマイクロ波プラズマ処理装置。
【請求項７】
前記凹部の内壁面は、イットリアによりコーティングされている、
請求項１〜６のいずれか一項に記載のマイクロ波プラズマ処理装置。
【請求項８】
前記開口よりも外側にマイクロ波の表面波の波長λｓｐに対してプラズマの電子密度が指数関数的に変化するような、異なる深さの２以上の前記凹部が形成される、
請求項１〜７のいずれか一項に記載のマイクロ波プラズマ処理装置。
【請求項９】
前記凹部は、前記開口よりも外側の前記天壁の側面又は裏面の少なくともいずれかに形成される、
請求項１〜８のいずれか一項に記載のマイクロ波プラズマ処理装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マイクロ波プラズマ処理装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
マイクロ波導入部から天壁の開口に設けられた透過窓を介して真空チャンバ内にマイクロ波を導入し、該マイクロ波のパワーによりガスから生成されたプラズマの作用によって基板にプラズマ処理を施すプラズマ処理装置が知られている（例えば、特許文献１を参照）。このプラズマ処理装置では、開口の周囲に、マイクロ波の伝搬を減衰させるチョーク溝が設けられている。チョーク溝は、プラズマの自由空間波長λに対して略λ／４の伝搬経路長を有し、マイクロ波の伝搬を抑制する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００３−４５８４８号公報
【特許文献２】特開２００４−３１９８７０号公報
【特許文献３】特開２００５−３２８０５号公報
【特許文献４】特開２００９−９９８０７号公報
【特許文献５】特開２０１０−２３２４９３号公報
【特許文献６】特開２０１６−２２５０４７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、上記特許文献１では、真空チャンバ内に導入されたマイクロ波の伝搬経路長に対応して溝の位置が設計されており、溝の形状を最適化することによりプラズマ密度を増加させることは考慮されていない。
【０００５】
プラズマ密度を増加させる方法の一つに、投入電力を大きくすることがあるが、この場合、最大出力電力が大きいプラズマ源を用意する必要がある。また、プラズマ処理時に電力をより多く使用するために生産時のコストが増大する。よって、投入電力を大きくすることなくプラズマ密度を増加させるためのプラズマ処理装置の構造が望まれる。
【０００６】
上記課題に対して、一側面では、本発明は、プラズマ密度を増加させることが可能な構造を有するプラズマ処理装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、一の態様によれば、マイクロ波を供給するマイクロ波供給部と、処理容器の天壁の上に設けられ、前記マイクロ波供給部から供給されたマイクロ波を放射するマイクロ波放射部材と、前記天壁の開口を塞ぐように設けられ、前記マイクロ波放射部材を介してスロットアンテナに通されたマイクロ波を透過する誘電体からなるマイクロ波透過部材と、を有し、前記天壁には、前記マイクロ波透過部材を透過して前記天壁の開口から該天壁の表面を伝搬するマイクロ波の表面波の波長をλｓｐとしたときに前記開口よりも外側にλｓｐ／４±λｓｐ／８の範囲の深さの凹部が形成される、マイクロ波プラズマ処理装置が提供される。
【発明の効果】
【０００８】
一の側面によれば、プラズマ密度を増加させることが可能な構造を有するプラズマ処理装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】一実施形態に係るマイクロ波プラズマ処理装置の一例を示す断面図。
【図２】一実施形態に係る天壁の一例を示す図（図１のＡ−Ａ断面）。
【図３】一実施形態に係る凹部の一例を示す図。
【図４】一実施形態に係る凹部と比較例の電界遮断効率の一例を示す図。
【図５】一実施形態に係る凹部と比較例の電界遮断効率を説明するための図。
【図６】一実施形態に係る凹部と比較例の電界遮断効率の評価結果の一例を示す図。
【図７】一実施形態に係る凹部と比較例の電界遮断効率の評価結果の一例を示す図。
【図８】一実施形態の変形例１に係る天壁の一例を示す図（図１のＡ−Ａ断面）。
【図９】一実施形態の変形例２に係る天壁の一例を示す図（図１のＡ−Ａ断面）。
【図１０】一実施形態の変形例３に係る天壁の凹部の一例を示す断面図。
【図１１】一実施形態の変形例４に係る天壁の凹部の一例を示す断面図。
【図１２】一実施形態の変形例４に係るのマイクロ波の表面波の波長λｓｐとプラズマの電子密度との関係の一例を示す図。
【図１３】マイクロ波の表面波の波長λｓｐとプラズマの電子密度との関係を導く計算に使用する系を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
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。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の構成については、同一の符号を付することにより重複した説明を省く。
【００１１】
［マイクロ波プラズマ処理装置］
最初に、本発明の一実施形態に係るマイクロ波プラズマ処理装置１００について、図１を参照しながら説明する。図１は、本発明の一実施形態に係るマイクロ波プラズマ処理装置１００の一例を示す断面図である。マイクロ波プラズマ処理装置１００は、ウェハＷを収容する処理容器１を有する。処理容器１の上部は開口し、その開口は、蓋体１０により開閉可能になっている。これにより、蓋体１０は、処理容器１の天壁を構成する。
【００１２】
マイクロ波プラズマ処理装置１００は、天壁の表面を伝搬するマイクロ波の表面波プラズマにより、半導体ウェハＷ（以下、「ウェハＷ」と称呼する）に対して所定のプラズマ処理を行う。所定のプラズマ処理としては、例えばエッチング処理、成膜処理、アッシング処理等が挙げられる。
【００１３】
処理容器１は、気密に構成されたアルミニウムまたはステンレス鋼等の金属材料からなる略円筒状の容器であり、接地されている。処理容器１と蓋体１０との接触面には支持リング１２９が設けられ、これにより、処理容器１内は気密にシールされる。蓋体１０は、アルミニウム等の金属から構成されている。
【００１４】
マイクロ波プラズマ源２は、マイクロ波出力部３０とマイクロ波伝送部４０とマイクロ波放射部材５０とを有する。マイクロ波出力部３０は、複数経路に分配してマイクロ波を出力する。マイクロ波出力部３０とマイクロ波伝送部４０とは、マイクロ波を供給するマイクロ波供給部の一例である。
【００１５】
マイクロ波伝送部４０は、マイクロ波出力部３０から出力されたマイクロ波を伝送する。マイクロ波伝送部４０に設けられた周縁マイクロ波導入機構４３ａおよび中央マイクロ波導入機構４３ｂは、アンプ部４２から出力されたマイクロ波をマイクロ波放射部材５０に導入する機能およびインピーダンスを整合する機能を有する。マイクロ波放射部材５０は、処理容器１の蓋体１０の上に設けられている。
【００１６】
マイクロ波放射部材５０の下方には、６つの周縁マイクロ波導入機構４３ａに対応する６つのマイクロ波透過部材１２３が、蓋体１０の円周方向に等間隔に配置されている（図１のＡ−Ａ面を示す図２参照）。また、中央マイクロ波導入機構４３ｂに対応する１つのマイクロ波透過部材１３３が、蓋体１０の中央に配置されている。マイクロ波透過部材１２３及びマイクロ波透過部材１３３は、蓋体１０内に埋め込まれ、その下面が処理室内に円形に露出する。マイクロ波透過部材１２３，１３３の下面は、天壁の表面よりスロット１２２，１３２側に位置する。
【００１７】
周縁マイクロ波導入機構４３ａおよび中央マイクロ波導入機構４３ｂでは、筒状の外側導体５２およびその内側に設けられた棒状の内側導体５３が同軸状に配置され、外側導体５２と内側導体５３との間はマイクロ波伝送路４４となっている。
【００１８】
周縁マイクロ波導入機構４３ａおよび中央マイクロ波導入機構４３ｂは、スラグ５４と、その先端部に位置するインピーダンス調整部材１４０とを有する。スラグ５４は誘電体で形成され、スラグ５４を移動させることにより、処理容器１内の負荷（プラズマ）のインピーダンスをマイクロ波出力部３０におけるマイクロ波電源の特性インピーダンスに整合させる機能を有する。インピーダンス調整部材１４０は誘電体で形成され、その比誘電率によりマイクロ波伝送路４４のインピーダンスを調整する。
【００１９】
マイクロ波放射部材５０は、マイクロ波を透過させる円盤状の部材から形成されている。マイクロ波放射部材５０の下には、蓋体１０に形成されたスロット１２２，１３２を介してマイクロ波透過部材１２３，１３３が蓋体１０の開口を塞ぐように設けられている。
【００２０】
マイクロ波透過部材１２３，１３３は、誘電体から形成される。マイクロ波放射部材５０は、中央に空間１２１、１３１を有し、空間１２１、１３１に繋がるスロット１２２，１３２を介してマイクロ波透過部材１２３、１３３にマイクロ波を放射する。マイクロ波透過部材１２３、１３３は、天壁の表面において均一にマイクロ波の表面波プラズマを形成するための誘電体窓としての機能を有する。
【００２１】
マイクロ波透過部材１２３、１３３は、マイクロ波放射部材５０と同様、例えば、石英、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）等のセラミックス、ポリテトラフルオロエチレン等のフッ素系樹脂やポリイミド系樹脂により形成されてもよい。
【００２２】
マイクロ波放射部材５０は、真空よりも大きい比誘電率を有する誘電体であり、例えば、石英、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）等のセラミックス、ポリテトラフルオロエチレン等のフッ素系樹脂やポリイミド系樹脂等により形成される。これにより、マイクロ波放射部材５０内を透過するマイクロ波の波長を、真空中を伝搬するマイクロ波の波長よりも短くしてスロット１２２，１３２を含むアンテナ形状を小さくする機能を有する。
【００２３】
かかる構成により、マイクロ波出力部３０から出力された伝送されたマイクロ波は、マイクロ波伝送路４４を通ってマイクロ波放射部材５０に伝搬され、マイクロ波放射部材５０から処理容器１内に放射される。これにより、処理容器１内にマイクロ波の電力が供給される。
【００２４】
なお、周縁マイクロ波導入機構４３ａおよび中央マイクロ波導入機構４３ｂの個数は、本実施形態に示す個数に限らない。例えば、１つの中央マイクロ波導入機構４３ｂのみを設け、周縁マイクロ波導入機構４３ａを設けなくてもよい。つまり、周縁マイクロ波導入機構４３ａの個数は、０であってもよいし、１又は複数であってもよい。
【００２５】
蓋体１０はアルミニウムなどの金属で形成され、内部にシャワー構造のガス導入部６２が形成されている。ガス導入部６２には、ガス供給配管１１１を介してガス供給源２２が接続されている。ガスは、ガス供給源２２から供給され、ガス供給配管１１１を介してガス導入部６２の複数のガス供給孔６０から処理容器１の内部に供給される。ガス導入部６２は、処理容器１の天壁に形成された複数のガス供給孔６０からガスを供給するガスシャワーヘッドの一例である。ガスの一例としては、例えばＡｒガスや、ＡｒガスとＮ２ガスの混合ガスが挙げられる。
【００２６】
処理容器１内にはウェハＷを載置する載置台１１が設けられている。載置台１１は、処理容器１の底部中央に絶縁部材１２ａを介して立設された支持部材１２により支持されている。載置台１１および支持部材１２を構成する材料としては、表面をアルマイト処理（陽極酸化処理）したアルミニウム等の金属や内部に高周波用の電極を有した絶縁部材（セラミックス等）が例示される。載置台１１には、ウェハＷを静電吸着するための静電チャック、温度制御機構、ウェハＷの裏面に熱伝達用のガスを供給するガス流路等が設けられてもよい。
【００２７】
載置台１１には、整合器１３を介して高周波バイアス電源１４が接続されている。高周波バイアス電源１４から載置台１１に高周波電力が供給されることにより、ウェハＷ側にプラズマ中のイオンが引き込まれる。なお、高周波バイアス電源１４はプラズマ処理の特性によっては設けなくてもよい。
【００２８】
処理容器１の底部には排気管１５が接続されており、この排気管１５には、真空ポンプを含む排気装置１６が接続されている。排気装置１６を作動させると処理容器１内が排気され、これにより、処理容器１内が所定の真空度まで高速に減圧される。処理容器１の側壁には、ウェハＷの搬入出を行うための搬入出口１７と、搬入出口１７を開閉するゲートバルブ１８とが設けられている。
【００２９】
マイクロ波プラズマ処理装置１００の各部は、制御部３により制御される。制御部３は、マイクロプロセッサ４、ＲＯＭ（Read Only Memory）５、ＲＡＭ（Random Access Memory）６を有している。ＲＯＭ５やＲＡＭ６にはマイクロ波プラズマ処理装置１００のプロセスシーケンス及び制御パラメータであるプロセスレシピが記憶されている。マイクロプロセッサ４は、プロセスシーケンス及びプロセスレシピに基づき、マイクロ波プラズマ処理装置１００の各部を制御する。また、制御部３は、タッチパネル７及びディスプレイ８を有し、プロセスシーケンス及びプロセスレシピに従って所定の制御を行う際の入力や結果の表示等が可能になっている。
【００３０】
かかる構成のマイクロ波プラズマ処理装置１００においてプラズマ処理を行う際には、まず、ウェハＷが、搬送アーム上に保持された状態で、開口したゲートバルブ１８から搬入出口１７を通り処理容器１内の載置台１１に載置される。処理容器１の内部の圧力は、排気装置１６により所定の真空度に保持される。ガスがガス導入部６２からシャワー状に処理容器１内に導入される。
【００３１】
マイクロ波放射部材５０、スロット１２２，１３２、及びマイクロ波透過部材１２３，１３３を通って放射されたマイクロ波の表面波が天壁の表面を伝搬する。そうすると、その表面波の電界によりガスが電離及び解離等して天壁の表面近傍にマイクロ波の表面波プラズマが生成される。この表面波プラズマを使用して処理容器１の天壁と載置台１１の間の処理空間ＵにてウェハＷがプラズマ処理される。
【００３２】
［凹部］
かかる構成の本実施形態に係るマイクロ波プラズマ処理装置１００の蓋体１０における天壁の表面（裏面）について、図１のＡ−Ａ面を示す図２を参照しながら説明を続ける。天壁の表面では、マイクロ波透過部材１２３が周辺側にて円周方向に等間隔に６つ設けられ、マイクロ波透過部材１３３が１つ設けられる。各マイクロ波透過部材１２３は周辺部の天壁の開口から露出し、マイクロ波透過部材１３３は中央の天壁の開口から露出している。天壁には、マイクロ波透過部材１２３，１３３が露出する天壁の開口のそれぞれを囲むように７つの凹部（溝）７０がリング状に形成されている。
【００３３】
各凹部７０は、マイクロ波透過部材１２３，１３３のそれぞれを透過し、天壁の開口から天壁の表面を伝搬するマイクロ波の表面波の波長をλｓｐとすると、λｓｐ／４の深さ、すなわち、概ね５ｍｍ〜７ｍｍに形成される。ただし、凹部７０の深さは、λｓｐ／４に限られず、λｓｐ／４±λｓｐ／８の範囲であってもよい。
【００３４】
また、凹部７０の内周側の直径は、図２に示すように、マイクロ波透過部材１２３、１３３が露出する天壁の開口の直径φに対してφ＋１０ｍｍ〜１００ｍｍの範囲内になる。凹部７０の内周側の直径がφ＋１０ｍｍ〜１００ｍｍの範囲内であれば、リング状の凹部７０を同心円状に複数形成してもよい。
【００３５】
［凹部の評価］
次に、凹部の評価結果の一例について、図３を参照しながら説明する。図３（ａ）及び図３（ｂ）は比較例の一例であり、マイクロ波透過部材１２３，１３３が露出する天壁の開口のそれぞれを囲むように凸部７１がリング状に形成されている。図３（ａ）の凸部７１の天壁の表面からの高さは５ｍｍであり、図３（ｂ）の凸部７１の表面からの高さは１０ｍｍである。
【００３６】
図３（ｃ）は本実施形態の一例であり、凹部７０の一例である、深さが５ｍｍの凹部７０ａ、７０ｂがリング状に２重に形成されている。
【００３７】
図３（ｄ）は本実施形態の一例であり、深さが５ｍｍの凹部７０ａ、７０ｂの間に凸部が形成されている。凸部は、凹部７０ａ、７０ｂの底部から１０ｍｍ、つまり、天壁の表面から５ｍｍ突出している。
【００３８】
かかる構成において、次のプロセス条件でマイクロ波の表面波プラズマを生成した。
＜プロセス条件＞
ガス種          Ａｒガス
マイクロ波のパワー  ４００Ｗ
マイクロ波の周波数  ８６０ＭＨｚ
圧力              １０Ｐａ
この結果を図４に示す。図４の（ａ）のグラフは、天壁の表面を伝搬する表面波プラズマの電界の状態の一例を示す。横軸は天壁の中央（グラフの右端）からの距離Ｒ（ｍｍ）を示し、縦軸は表面波プラズマの電界強度Power（ｍＷ）を示す。横軸の−７０ｍｍのラインは、凸部７１又は凹部７０が形成された位置である。これによれば、図３（ａ）の凸部７１が形成された場合の「ａ」及び図３（ｂ）の凸部７１が形成された場合の「ｂ」よりも、図３（ｃ）の凹部７０が形成された場合の「ｃ」及び図３（ｄ）の凹部７０が形成された場合の「ｄ」の方が、凸部７１又は凹部７０が形成された位置よりも外周側の表面波プラズマの電界強度が低くなっている。つまり、天壁の表面には凸部よりも凹部を設けることで、表面波プラズマの電界の遮断効率を高めることができる。また、図３(ｃ)に示す５ｍｍの深さの凹部７０を設けることで、図３（ｄ）に示す凹部（中央が１０ｍｍの高さ）を設けるよりもさらに表面波プラズマの電界の遮断効率が高くなることがわかる。
【００３９】
以上の評価結果から、マイクロ波透過部材１２３，１３３が露出する天壁の開口のそれぞれを囲むように５ｍｍ程度、すなわち、λｓｐ／４の深さの凹部を形成することが好ましいことがわかった。また、天壁の開口のそれぞれを囲むように凸部を設けたときの表面波プラズマの電界の遮断効率は、凹部を設けたときよりも低いことがわかった。なお、天壁の開口から天壁の表面を伝搬するマイクロ波の表面波の波長λｓｐは、言い換えればプラズマの表面を流れるマイクロ波の表面波の波長であり、真空中のプラズマの自由空間波長の１／１０〜１／２０程度になる。
【００４０】
図４の（ｂ）のグラフは、上記プロセス条件において生成されたプラズマの電子密度の一例を示す。なお、プラズマの電子密度は、プラズマ密度と同義である。
【００４１】
図４の（ｂ）のグラフの「ｃ」、すなわち、図３（ｃ）の凹部７０が形成された場合のプラズマの電子密度は、横軸の−７０ｍｍのラインよりも内側の電子密度において、「ａ」（すなわち、図３（ａ）の凸部７１が形成された場合）、「ｂ」（すなわち、図３（ｂ）の凸部７１が形成された場合）及び「ｄ」（すなわち、図３（ｄ）の凹部７０が形成された場合）よりも顕著に高いことがわかった。この結果、天壁の開口のそれぞれを囲むように５ｍｍの深さの凹部を設けることで、凹部の内側における電力吸収効率を、図４の例では＋２００Ｗ相当分増加させることができることがわかった。
【００４２】
凹部の深さを５ｍｍに設計したときに表面波プラズマの電界の遮断効率が高い理由について、図５を参照しながら説明する。図５のマイクロ波透過部材１２３の中心軸Ｏから左側は、図３（ｃ）の凹部７０ａ、７０ｂを形成した場合のモデルを示し、中心軸Ｏから右側は、図３（ｄ）の凹部７０ａ、７０ｂを形成した場合のモデルを示す。
【００４３】
中心軸Ｏから左側の領域Ｂを拡大した図５の左中央の図に、マイクロ波の表面波Ｓが伝搬する状態を模式的に示す。中心軸から右側の領域Ｃを拡大した図５の右中央の図に、マイクロ波の表面波Ｓが伝搬する状態を模式的に示す。
【００４４】
領域Ｂの拡大図に示すマイクロ波の表面波には、天壁の表面を凹部７０ａ、７０ｂの内部に入り込まずに直進する表面波Ｓａと、天壁の表面を凹部７０ａ、７０ｂの内部に入り込みながら進行する表面波Ｓｂとがある。
【００４５】
凹部７０ａ、７０ｂの内部に入り込みながら進行する表面波Ｓｂは、凹部７０ａ、７０ｂの内部を伝搬し、底部で反射して往復し、表面波Ｓａと合流する。合流点において、表面波Ｓｂの位相は、凹部７０ａ、７０ｂの内部を往復したときの距離λｇ／２（＝（λｇ／４）×２）だけ表面波Ｓａの位相からずれる。この結果、図５の左下の表面波Ｓａ，Ｓｂに示すように、合流した表面波Ｓａと表面波Ｓｂとは打ち消し合う。これにより、凹部７０ａ、７０ｂの深さを５ｍｍに設計したときには表面波プラズマの電界の遮断効率が高くなり、凹部７０ａ、７０ｂの内側における電力吸収効率を向上させ、プラズマ密度を増加させることができる。
【００４６】
一方、領域Ｃの拡大図に示すマイクロ波の表面波には、凹部７０ａ、７０ｂの内部に入り込んで進行する表面波Ｓｂの位相は、図３（ｃ）の場合の位相のずれ＋λｇ／２だけ表面波Ｓａの位相からずれる。図３（ｃ）の場合の位相のずれはλｇ／２であるから、表面波Ｓｂの位相は、λｇだけ表面波Ｓａの位相からずれる。この結果、図５の右下の表面波Ｓａ，Ｓｂに示すように、合流した表面波Ｓａと表面波Ｓｂとは強め合う。
【００４７】
以上の理由から、図３（ｄ）の凹部７０ａ、７０ｂによるマイクロ波の表面波プラズマの電界の遮断効率は、図３（ｃ）の凹部７０ａ、７０ｂによるマイクロ波の表面波プラズマの電界の遮断効率よりも低くなった。この結果、図４（ａ）に示すように、横軸の−７０ｍｍのラインよりも外側の「ｄ」の電界強度は「ｃ」の電界強度よりも高くなっている。これにより、図４（ｂ）の「ｃ」に示す電力吸収効率は、図４（ｂ）の「ｄ」に示す電力吸収効率よりも顕著に高くなっている。この結果、図３（ｄ）の凹部７０ａ、７０ｂでは、図３（ｃ）の凹部７０ａ、７０ｂを天壁に形成した場合より凹部７０ａ、７０ｂの内部においてプラズマ密度を増加させることは難しいことがわかった。
【００４８】
以上から、本実施形態に係るマイクロ波プラズマ処理装置１００の天壁の表面には、天壁の開口の直径φに対して外周側に直径φ＋１０ｍｍ〜１００ｍｍの範囲内の直径を有するように、リング状に５ｍｍ（すなわち、λｇ／４）程度の深さの凹部７０が形成される。凹部７０の個数は１つでもよいし、複数でもよい。ただし、凹部７０の個数は、１つよりも複数の方が電界遮断効率をより高めることができるため好ましい。
【００４９】
なお、本実施形態に係るマイクロ波プラズマ処理装置１００では、マイクロ波伝送部４０、マイクロ波放射部材５０、スロット１２２，１３２、マイクロ波透過部材１２３，１３３が７つずつ設けられたが、１つだけでもよい。この場合にも、１つのマイクロ波透過部材の外周を囲むように凹部７０が１つ設けられる。
【００５０】
［プロセス条件(圧力、ガス種)の変動と電界遮断効率］
次に、図６及び図７を参照して、本実施形態に係る凹部の電界遮断効率の評価結果の一例について、比較例と比較しながら説明する。図６は、圧力及びガス種のプロセス条件を変えたときの天壁の表面に伝搬するマイクロ波の表面波プラズマの電界強度の一例を示す。図７は、圧力及びガス種のプロセス条件を変えたときのプラズマの電子密度の一例を示す。
【００５１】
図６によれば、天壁の表面に深さ５ｍｍの凹部７０を設けた場合、Ｒｅｆ．で示される凹部を設けなかった場合と比較して、６Ｐａ，１０Ｐａ，２０Ｐａのいずれの場合にも凹部７０が形成された−７０ｍｍのラインよりも外側において電界強度が低く、凹部７０による表面波の電界遮断効率があることがわかった。また、図７によれば、天壁の表面に深さ５ｍｍの凹部７０を設けた場合、Ｒｅｆ．で示される凹部を設けなかった場合と比較して、６Ｐａ，１０Ｐａ，２０Ｐａのいずれの場合にも凹部７０が形成された−７０ｍｍのラインよりも内側の領域においてプラズマ密度が１．３倍〜１．５倍程度増加していることがわかった。これは、深さ５ｍｍの凹部７０を設けることで、マイクロ波の投入電力のプラズマへの吸収が良くなって、投入した電力に対してプラズマ密度が最大で１．５倍まで高まったと考えられる。これらの結果は、Ａｒガスのプラズマ又はＡｒガスとＮ２ガスとのプラズマのいずれにおいても、同様であった。
【００５２】
なお、処理容器内の圧力が５Ｐａ〜５０Ｐａの範囲では、マイクロ波の周波数で凹部７０の深さの適正値が変わり、圧力とガス種で凹部７０の位置の適正値が変わる。具体的には、Ａｒ／Ｎ２の混合ガスの場合、圧力を上げる程凹部７０の位置の適正値は内側になる。また、Ａｒガスの場合、圧力を下げる程、凹部７０の位置の適正値は外側になる。
【００５３】
［変形例］
最後に変形例に係る天壁の凹部７０について、図８〜図１０を参照して説明する。図８は、本実施形態の変形例１に係る天壁の一例を示す図（図１のＡ−Ａ断面の一例）である。図９は、本実施形態の変形例２に係る天壁の一例を示す図（図１のＡ−Ａ断面の一例）である。図１０は、本実施形態の変形例３に係る天壁の凹部の一例を示す断面図である。
【００５４】
（変形例１）
図８に示す変形例１に係る凹部７０には、円周方向に隣り合うマイクロ波透過部材１２３の位置に応じて凹部７０の対向する位置に２つの開口部７０ｄが形成されている。開口部７０ｄは、天壁の表面と同じ高さであり、凹部７０がない部分である。マイクロ波の表面波の一部は、開口部７０ｄから凹部７０よりも外周側に伝搬される。開口部７０ｄの端部は、平行に形成されているが、」これに限られず、概ね３０°〜６０°の角度の範囲で開口していることが好ましい。
【００５５】
このように、各凹部７０に、円周方向に隣接するマイクロ波透過部材１２３側に開かれた２つの開口部７０ｄを設けることで、開口部７０ｄから、天壁を伝搬するマイクロ波の表面波プラズマの一部が凹部７０の外側に洩れる。これにより、隣接するマイクロ波透過部材１２３間のプラズマ密度が低下することを防止しながら、各凹部７０よりも内側の領域においてプラズマ密度を増加させることができる。この結果、プロセス性能を向上させることができる。
【００５６】
（変形例２）
図９に示す変形例２に係る凹部７０は、複数のマイクロ波透過部材１２３，１３３が露出する天壁の開口の全体を囲むようにリング状に１つ形成される。これによっても、凹部７０の内側において電力吸収効率を向上させ、プラズマ密度を増加させることができる。この結果、プロセスセス性能を向上させることができる。
【００５７】
（変形例３）
図１０（ａ）に示す変形例３に係る凹部７０では、側壁７０ｅが底部に向かって内側に傾斜するようにテーパー形状に形成される。さらに、図１０（ｂ）に示すように、凹部７０の内壁面を溶射によりイットリア（Ｙ２Ｏ３）の保護膜７０ｆでコーティングしてもよい。イットリアの保護膜７０ｆは、凹部７０の側面がテーパー形状の場合に限られず、垂直形状の凹部７０の側面及び底面をコーティングしてもよい。これにより、凹部７０におけるプラズマ耐性を向上させ、パーティクルの発生を防止することができる。図１０（ａ）及び図１０（ｂ）のいずれの場合にも、凹部７０の深さは、約５ｍｍであることが好ましい。更に、本実施形態及び変形例１〜３において形成する凹部７０は、真円であってもよいし、楕円であってもよい。
【００５８】
以上に説明したように、本実施形態のマイクロ波プラズマ処理装置１００では、天壁の開口（マイクロ波の放射領域、マイクロ波透過部材１２３，１３３の位置）から所定距離外側において、天壁にλｇ／４又はλｇ／４±λｇ／８の深さの凹部７０が形成される。これにより、凹部７０によって、マイクロ波の表面波プラズマの電界の遮断効率を高め、凹部７０の内側における電力吸収効率を向上させ、プラズマ密度を増加させることができる。この結果、プロセスセス性能を向上させることができる。
【００５９】
（変形例４）
次に、一実施形態の変形例４に係る天壁の凹部７０について、図１１を参照しながら説明する。変形例４では、マイクロ波透過部材１２３，１３３によって塞がれる蓋体１０の開口よりも外側に、マイクロ波の表面波の波長λｓｐに対してプラズマの電子密度が指数関数的に変化するような、異なる深さの２以上の凹部が形成される。
【００６０】
図１１（ａ）では、波長λｓｐに対してプラズマの電子密度が指数関数的に変化するような、異なる深さの５つの凹部７０ｇ、７０ｈ、７０ｉ、７０ｊ、７０ｋが形成されている。図１１（ｂ）では、波長λｓｐに対してプラズマの電子密度が指数関数的に変化するような、異なる深さの２つの凹部７０ｍ、７０ｎが形成されている。凹部７０ｇ、７０ｈ、７０ｉ、７０ｊ、７０ｋ及び凹部７０ｍ、７０ｎを総称して凹部７０ともいう。
【００６１】
図１１（ａ）に示す凹部７０ｇ、７０ｈ、７０ｉ、７０ｊ、７０ｋは、蓋体１０の開口よりも外側の天壁の裏面に形成される。図１１（ｂ）に示す凹部７０ｍ、７０ｎは、開口よりも外側の天壁の側壁に形成される。図１１（ａ）及び（ｂ）は、組み合わせてもよい。
【００６２】
２以上の凹部７０の深さは、蓋体１０の開口から近い程浅く、開口から遠いほど深い方が好ましい。ただし、蓋体１０の開口から近い程深く、開口から遠いほど浅くてもよい。また、凹部７０の数はこれに限定されず、複数であれば、３つ又は４つでもよいし、それ以上でもよい。また、凹部７０の間隔は、略λｓｐ／４であって等間隔であることが好ましいが、これに限られない。また、変形例４に示す２以上の凹部７０は、変形例１、変形例２及び変形例３に示す凹部７０の位置や形状と組み合わせて適用することができる。
【００６３】
これにより、プラズマの電子密度を高い状態に保ちつつ、凹部７０にてマイクロ波の表面波（電磁波）をカットすることができる。その理由について以下に説明する。
【００６４】
図１２は、一実施形態の変形例４に係るシース中のマイクロ波の表面波の波長λｓｐとプラズマの電子密度との関係を示すグラフである。横軸ｘはプラズマの電子密度を示し、縦軸ｙはマイクロ波の表面波の波長λｓｐの１／４を示す。破線で示すプロセスガス領域では、プラズマ処理に使用するプロセスガスにおいて、波長λｓｐ／４とプラズマの電子密度とは略直線になる。また、上記のプロセスガス領域からプラズマ処理に使用するアルゴンガスまでの領域においてもλｓｐ／４とプラズマの電子密度とは概ね直線になる。
【００６５】
本グラフでは、波長λｓｐ／４に対してプラズマの電子密度は対数関数で表示されているから、プロセスガス領域において波長λｓｐ／４に対してプラズマの電子密度は指数関数的に変化することがわかる。つまり、プロセスガス領域において波長λｓｐは、プラズマの電子密度に依存して指数関数的に変化する。換言すれば、プラズマの電子密度によってマイクロ波の表面波の波長λｓｐ／４は変わるため、凹部７０は、ターゲットとするプラズマの電子密度に対応する波長λｓｐ／４の深さに形成することが好ましい。
【００６６】
以上のプラズマ特性を利用して、図１１（ａ）及び（ｂ）に示すようにプラズマの電子密度に併せて指数関数的に変化させた、異なる深さの複数の凹部７０を設ける。これにより、プロセス条件に対応した電子密度領域をターゲットとする複数の凹部７０を形成することができる。この結果、プラズマの電子密度は高い状態を保ちつつ、凹部７０にてマイクロ波の表面波をカットすることができる。
【００６７】
図１２のグラフに示すマイクロ波の表面波の波長λｓｐとプラズマの電子密度との関係は、以下のようにして導かれる。図１３は、マイクロ波の表面波の波長λｓｐとプラズマの電子密度との関係を導くための計算に使用する系として、（ｙ、ｚ）方向に設けられた蓋体１０の下にシース及びプラズマが形成された状態を示す。シースの比誘電率をεｒ（＝１）とし、プラズマの比誘電率をεｐとすると、マクスウェル方程式と電子の運動方程式とから式（１）が導かれる。
【００６８】
（εｐ／εr）×（α／β）ｔａｎｈ（αｓ）＋１＝０・・・（１）
αは、シース中のｘ方向のマイクロ波の波数を示す。βは、プラズマ中のｘ方向のマイクロ波の波数を示す。ｓは、シースの厚さを示す。
【００６９】
αは式（２）により示され、βは式（３）により示される。
【００７０】
α２＝ｋ２-（ω／c）２・・・（２）
β２＝ｋ２-εｐ（ω／c）２・・・（３）
式（３）は次の式（４）に変形できる。
【００７１】
【数１】
2019106358.tif 000003
【００７２】
γは、電子と中性粒子の衝突周波数であり、系の圧力により定まる。ωは、入力する周波数のマイクロ波の角速度であり、ｃは光の速度である。ωpは、電子プラズマ周波数であり、プラズマの電子密度の関数である。
【００７３】
式（２）のｋは、ｚ方向のシース中のマイクロ波の表面波の波数を示す。式（４）のｋは、ｚ方向のプラズマ中のマイクロ波の表面波の波数を示す。図１３に示すｚ方向のシースとプラズマとの接面において両者の波数は一致するため、式（２）及び式（４）のｋの個数は同じである。
【００７４】
式（２）及び式（４）で定義されるαとβとを式（１）に代入することで、次の式（５）が導かれる。
【００７５】
λｓｐ＝２π／Ｒｅ（ｋ）・・・（５）
式（４）からプラズマ中のマイクロ波の表面波の波数ｋと電子密度ωｐとの関係が紐付けられるため、式（５）から導かれるマイクロ波の表面波の波長λｓｐとマイクロ波の表面波の波数ｋとの関係式は、同表面波の波長λｓｐと電子密度ωｐとの関係を示す。
【００７６】
以上から、式（４）及び式（５）に基づき図１２のグラフが導かれ、マイクロ波の表面波の波長λｓｐは、プラズマの電子密度に依存し、プラズマの電子密度によって変化することがわかった。
【００７７】
よって、プロセス条件領域の様々なプラズマの電子密度に応じて変化する様々な波長λｓｐの表面波に対応して凹部７０による表面波を遮断する効果が得られるように、プロセス条件に合致した電子密度の領域に対応する、深さが指数関数的に変化する複数の凹部７０を形成する。これにより、複数の凹部７０の少なくともいずれかが、プロセス条件に合致した電子密度の領域に対応する深さが略λｓｐ／４の溝となる確率を高めることができる。換言すれば、深さが指数関数的に変化する複数の凹部７０を形成することによりマイクロ波の表面波プラズマの電界の遮断効率を高めるという凹部７０の効果を最大限に発揮することができる。これにより、凹部７０の内側における電力吸収効率を向上させ、プラズマ密度を増加させることができる。この結果、プロセスセス性能を向上させることができる。
【００７８】
以上、マイクロ波プラズマ処理装置を上記実施形態及びその変形例により説明したが、本発明にかかるマイクロ波プラズマ処理装置は上記実施形態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。上記複数の実施形態に記載された事項は、矛盾しない範囲で組み合わせることができる。
【００７９】
本明細書では、ウェハＷを挙げて説明したが、プラズマ処理対象である被処理体は、ウェハＷに限られず、LCD(Liquid Crystal Display)、FPD(Flat Panel Display)に用いられる各種基板等であっても良い。
【符号の説明】
【００８０】
１      処理容器
２      マイクロ波プラズマ源
３      制御部
１０    蓋体
１１    載置台
１４    高周波バイアス電源
２２    ガス供給源
３０    マイクロ波出力部
４０    マイクロ波伝送部
４３ａ  周縁マイクロ波導入機構
４３ｂ  中央マイクロ波導入機構
４４    マイクロ波伝送路
５０    マイクロ波放射部材
５２    外側導体
５３    内側導体
５４    スラグ
６０    ガス供給孔
６２    ガス導入部
７０、７０ａ、７０ｂ  凹部
７０ｄ  開口部
１００  マイクロ波プラズマ処理装置
１２２、１３２  スロット
１２３、１３３  マイクロ波透過部材
Ｕ      処理空間
【図１】
2019106358.tif 000004
【図２】
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【図３】
2019106358.tif 000006
【図４】
2019106358.tif 000007
【図５】
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【図６】
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【図７】
2019106358.tif 000010
【図８】
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【図９】
2019106358.tif 000012
【図１０】
2019106358.tif 000013
【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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