(57)【要約】【課題】円筒状の誘電体を介したマイクロ波の導入による被処理物の処理の面内均一性効果を、より一層向上させることが可能なプラズマ処理装置を提供する。【解決手段】真空容器１、真空容器１内にプラズマ発生領域２０を形成する円筒状の誘電体２２、真空容器１の上部であって誘電体２２と同軸に配設された同軸変換器２５、同軸変換器２５にマイクロ波を導く導波管２６、真空容器１の上部を構成し同軸変換器２５からのマイクロ波を誘電体２２の全周に分配するマイクロ波供給部を備える。導波管２６から導かれたマイクロ波は、同軸変換器２５によってモード変換され、真空容器１上部の中心からマイクロ波供給部を通り誘電体２２の全周からプラズマ発生領域に供給されるので、均一なプラズマを作り易い。【選択図】　図１
2004128090.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部を真空とすることが可能な真空容器と、
前記真空容器を封止するとともに前記真空容器内にプラズマ発生領域を形成する円筒状の誘電体と、
前記真空容器の上部であって、前記円筒状の誘電体と同軸に配設された同軸変換器と、
前記同軸変換器にマイクロ波を導く導波管と、
前記真空容器の上部を構成し、前記同軸変換器からのマイクロ波を前記誘電体の全周に分配するマイクロ波供給部と、
を備えたことを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項２】
前記マイクロ波供給経路は、前記誘電体の上部に配設されることにより前記真空容器上部を構成するインナーウェーブガイドと、前記誘電体の周囲に環状の空間を形成するアウターウェーブガイドとを備えたことを特徴とする請求項１記載のプラズマ処理装置。
【請求項３】
前記真空容器上部には、前記プラズマ発生領域に突出するように、前記誘電体と同軸の凸部が設けられ、
前記凸部はテーパ形状であることを特徴とする請求項１又は請求項２記載のプラズマ処理装置。
【請求項４】
前記誘電体の外周には、円周方向に複数の開口部が形成された円筒状の真空壁が配設されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のプラズマ処理装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、プロセスガスにマイクロ波を照射して生成したプラズマを利用して被処理物の処理を行うためのプラズマ処理装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体製造用のシリコンウェハや液晶ディスプレイ用ガラス基板といった被処理物を処理するための装置として、マイクロ波プラズマを利用して被処理物のドライエッチング処理やアッシング処理等を施すプラズマ処理装置がある。このプラズマ処理装置を利用したプラズマ技術による微細加工、薄膜形成等の表面処理は、例えば半導体の高集積化にとって必要不可欠な技術となっている。
【０００３】
このようなプラズマ処理装置には、いくつかの種類があるが、その一例として、高周波電力をアンテナに供給し、これを真空容器内のプロセスガスに印加してプラズマを生成し、このプラズマを利用して被処理物にドライエッチング処理等を施すものがある。より具体的には、マイクロ波導波管により導いたマイクロ波を、マイクロ波導波管に形成された開口部（スロットアンテナ）から放射して、マイクロ波透過窓部材を介して真空容器内に導入し、真空容器内のプロセスガスにマイクロ波を照射してプラズマを生成し、このプラズマを利用して被処理物に微細加工や薄膜形成等の表面処理を施すものである。
【０００４】
ところで、マイクロ波によりプラズマを生成し、このプラズマを利用して被処理物を処理する場合、被処理物の被処理面の全面にわたって処理速度が均一であることが望まれる。このように均一に処理するためには、プラズマ中から被処理物の被処理面に供給される活性種やイオンといった処理に寄与する粒子の供給量が、被処理面の全面にわたって均一であることが重要である。
【０００５】
しかし、真空容器内に形成されたプラズマの密度分布が不均一であると、被処理面における処理速度もまた不均一になってしまう。例えば、平板状の誘電体が、真空容器内の中央に配置された被処理物の直上にあるような装置構成の場合、真空容器の内部に形成されるプラズマの密度は、真空容器内の中心部で高く、周辺部で低くなる傾向にあり、その結果、被処理物の中央部の処理速度が周辺部に比べて速くなってしまう。
【０００６】
これに対処するため、真空容器のプラズマ発生領域として、被処理物の直上に円筒真空壁を設け、この円筒真空壁の内周面に沿って、円筒状の誘電体を周設したプラズマ処理装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。このプラズマ処理装置においては、円筒真空壁の外周面にマイクロ波導波管が接続されており、マイクロ波導波管の内部空間と円筒状の誘電体の外周面との間には、開口部が形成されている。この開口部は、円筒状の誘電体の中心軸線に平行な方向に沿って延設されたスロットアンテナ構造を有している。
【０００７】
かかるプラズマ処理装置においては、マイクロ波導波管によって導かれたマイクロ波は、開口部を介して、円筒状の誘電体の周方向に放射され、プラズマ発生領域の内部に環状のプラズマが生成される。このように、被処理物の上方に生成された環状のプラズマによって、プラズマから被処理物の被処理面に供給される活性種やイオン等の粒子の供給量を、被処理面の全体にわたって均一にすることが可能となり、被処理物の処理の面内均一性を向上させることができる。
【０００８】
【特許文献１】
特開２００２−３３３０７
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記のように、円筒状の誘電体を用いた従来のプラズマ処理装置においては、マイクロ波は、円筒真空壁の外周面に接続されたマイクロ波導波管からプラズマ発生領域に導入されるので、マイクロ波の導入に偏りが生じ、プラズマの均一性が維持できない場合がある。したがって、被処理物の処理の面内均一性を常時得ることは、必ずしも容易ではない。
【００１０】
本発明は、上記のような従来技術の問題点を解決するために提案されたものであり、その目的は、円筒状の誘電体を介したマイクロ波の導入による被処理物の処理の面内均一性効果を、より一層向上させることができるプラズマ処理装置を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１記載の発明であるプラズマ処理装置は、内部を真空とすることが可能な真空容器と、前記真空容器を封止するとともに前記真空容器内にプラズマ発生領域を形成する円筒状の誘電体と、前記真空容器の上部であって、前記円筒状の誘電体と同軸に配設された同軸変換器と、前記同軸変換器にマイクロ波を導く導波管と、前記真空容器の上部を構成し、前記同軸変換器からのマイクロ波を前記誘電体の全周に分配するマイクロ波供給部とを備えたことを特徴とする。
【００１２】
以上のような請求項１記載の発明では、導波管から導かれたマイクロ波は、同軸変換器によってモード変換され、真空容器上部の中心からマイクロ波供給部を通り誘電体の全周からプラズマ発生領域に供給されるので、均一なプラズマが形成される。
【００１３】
請求項２記載の発明は、請求項１記載のプラズマ処理装置において、前記マイクロ波供給経路は、前記誘電体の上部に配設されることにより前記真空容器上部を構成するインナーウェーブガイドと、前記誘電体の周囲に環状の空間を形成するアウターウェーブガイドとを備えたことを特徴とする。
【００１４】
以上のような請求項２記載の発明では、マイクロ波は、円筒状の誘電体の周囲に形成された環状の空間から、誘電体を抜けて真空容器内へ放出される。これによりプラズマが環状に形成され、均一な処理が実現できる。
【００１５】
請求項３記載の発明は、請求項１又は請求項２記載のプラズマ処理装置において、前記真空容器上部には、前記プラズマ発生領域に突出するように、前記誘電体と同軸の凸部が設けられ、前記凸部はテーパ形状であることを特徴とする。
【００１６】
以上のような請求項３記載の発明では、真空容器内に発生するプラズマは、放射状に拡散していく性質があるため、プラズマ発生領域の中心に突出した凸部をテーパ形状とすることによって、プラズマを効率良く拡散させることができる。
【００１７】
請求項４記載の発明は、請求項１〜３のいずれか１項に記載のプラズマ処理装置において、前記誘電体の外周には、円周方向に複数の開口部が形成された円筒状の真空壁が配設されていることを特徴とする。
【００１８】
以上のような請求項４記載の発明では、マイクロ波は、円筒状の真空壁に形成された開口部から漏れ出ることによって、誘電体を抜けて真空容器内へ放出される。従って、被処理物等に応じて、開口部の位置や数、形状等を最適なものとすることによって、プラズマの分布を制御することができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態（以下、実施形態と呼ぶ）について図１〜図７を参照して具体的に説明する。
〔実施形態の構成〕
本実施形態のプラズマ処理装置は、図１に示すように、内部に真空室１０を形成する真空容器１と、この真空容器１の上部に形成されたプラズマ発生装置２とを備えている。真空室１０の内部には半導体ウェハ等の被処理物３を保持するためのステージ１１が設けられ、このステージ１１に接続された高周波バイアス電源（図示せず）によって、ステージ１１に高周波電力を印加することができる。このように、ステージ１１にバイアスを印加することにより、プラズマ中のイオンが被処理物３に入射する際のエネルギーを制御することができる。
【００２０】
真空容器１には、真空室１０の内部にプロセスガスを導入するためのガス導入口１２が形成されている。また、真空容器１の底板には真空室１０内を排気する排気口が設けられ、この排気口に真空ポンプ１３が接続されている。
【００２１】
また、プラズマ発生装置２は、真空容器１の上部に取り付けられ、その内部に真空室１０に連続したプラズマ発生領域２０を形成する円筒真空壁２１と、円筒真空壁２１の内周面に接するように周設された円筒状の石英・アルミナ等の誘電体２２を有している。円筒真空壁２１の上面開口は、これに電気的に接合された円盤状のインナーウェーブガイド２３によって封止されている。なお、インナーウェーブガイド２３と誘電体２２との間、誘電体２２と真空容器１との間には、Ｏリング等のシール材２２ａが配設されており、真空容器１内部の真空を維持できるように封止している。
【００２２】
インナーウェーブガイド２３における真空容器１側には、誘電体２２と同軸の略円柱形状の凸部２３ａが形成されている。この凸部２３ａの外周面は、下方に向かって径が狭くなるテーパ形状となっている。凸部２３ａの寸法例としては、経験的には、図３に示すように、プラズマ発生領域２０の下部開口の径をφＡ、凸部２３ａの下部径をφＢ、凸部２３ａの下部から被処理物３までの高さをＨとすると、Ｈが１０〜２５０ｍｍの場合に、φＡを被処理物３の直径の０．６〜１．２倍、φＢを被処理物３の直径の０．１〜０．５倍とすることが望ましい。但し、本発明はこれらの具体的な数値には限定されない。
【００２３】
そして、真空容器１の上部には、円筒真空壁２１及びインナーウェーブガイド２３を覆うように、アルミニウムなどの有底円筒形状のカップ型アウターウェーブガイド２４が取り付けられている。これらのインナーウェーブガイド２３、円筒真空壁２１及びアウターウェーブガイド２４によって、環状のマイクロ波供給経路が形成されている。
【００２４】
さらに、アウターウェーブガイド２４の上部中心に形成された開口には、誘電体２１と同軸の同軸変換器２５が取り付けられている。この同軸変換器２５のアース２５ａは、インナーウェーブガイド２３に電気的に接続されている。そして、同軸変換器２５には、マイクロ波を導入するための導波管２６が接続されている。
【００２５】
ここで、円筒真空壁２１は、図２に示すように、電界放射方向の指向性を高めるために、スロットアンテナ構造の開口部２１ａを有している。より具体的には、開口部２１ａは、円筒状の誘電体２の周方向（誘電体２の軸に直交する方向）に向かってマイクロ波電界が放射されるように指向性を持たせるべく、円筒状の誘電体２の外周に平行な方向に沿って延設されている。
【００２６】
〔実施形態の作用〕
以上のような構成を有する本実施形態の作用は、以下の通りである。なお、ステージ１１への被処理物３の設置、真空ポンプ１３による真空処理及びガス導入口１２からのプロセスガスの導入については、あらかじめ実施されているものとする。すなわち、導波管２６によって導かれたマイクロ波（例えば、２．４５ＧＨｚ）は、同軸変換器２５によって、ＴＥ（Ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃｆｉｅｌｄ）モードから、ＴＭ（Ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ　Ｍａｇｎｅｔｉｃｆｉｅｌｄ）モードに変換され、アウターウェーブガイド２４の中心から、アウターウェーブガイド２４とインナーウェーブガイド２３及び円筒真空壁２１との隙間に形成された環状のマイクロ波供給経路を介して、円筒真空壁２１の全周に供給される。
【００２７】
そして、円筒真空壁２１の開口部２１ａから漏れ出た電磁波は、円筒状の誘電体２２を抜けて真空室１０のプラズマ発生領域２０に放出される。この表面波により、図１に示すように、プラズマ発生領域２０には、プラズマＰが、凸部２３ａを中心にドーナツ型に形成される。形成されたプラズマは、図４に示すように、被処理物３の両エッジの上部に対応する位置から放射状に拡散していくので、合成されて平滑となり均一性が向上する。
【００２８】
このようにプラズマＰは放射状に拡散していく性質があるため、図５に示すように、凸部２３ａの外周面が垂直形状の場合には、高圧部ＨＰで誘電体２２にプラズマが張り付いたり、低圧部ＬＰでプラズマが大きく拡散してはみ出すことが考えられる。しかし、本実施形態においては、図６に示すように、凸部２３ａがテーパ形状なので、放射状に拡散するプラズマＰが効率良く拡散される。
【００２９】
〔実施形態の効果〕
以上のような本実施形態によれば、導波管２６から導かれたマイクロ波は、同軸変換器２５によってモード変換され、真空容器１の上部の中心からマイクロ波供給部を通り円筒状の誘電体２２の全周からプラズマ発生領域２０に供給される。従って、マイクロ波の導入が均一となり、均一なプラズマが容易に形成されるので、被処理物３の処理の面内均一性を、常時確実に得ることができる。
【００３０】
また、プラズマ発生領域２０の中心に突出した凸部２３ａをテーパ形状とすることによって、プラズマを効率良く拡散させることができるので、結果として処理効率を高めることができる。これは、特に、例えば、低圧力１０ｐａ以下でプラズマを生成した場合に顕著となる。
【００３１】
また、開口部２１ａは、円筒状の誘電体２の外周に平行な方向に沿って延設されているので、マイクロ波電界が円筒状の誘電体２の周方向に放射され、プラズマ発生領域２０の内部に環状のプラズマを効率的に生成することができる。
【００３２】
さらに、平板状の誘電体は高価であるが、本実施形態では、円筒状の誘電体２としたので、平板状のものよりも安価にできる。従って、ランニングコストを低減することが可能となる。
【００３３】
〔他の実施形態〕
本発明は、上記のような実施形態に限定されるものではなく、各部材の形状、数、配置、材質、大きさ等は適宜変更可能である。例えば、上記の実施形態において、円筒真空壁２１に形成するスロットアンテナ構造の開口部２１ａの位置、形状、大きさ、数等は、マイクロ波分布の均一性を確保するためには、上記の実施形態で例示したものが望ましいが、特にこれに限定されるものではなく、被処理物３等に応じて適宜変更し、プラズマの分布を最適化することも可能である。同様に、凸部２３ａの形状や寸法も、上記の実施形態で例示したものには限定されず、所望のプラズマ分布を得るために最適化できる。特に、被処理物３のエッチング（アッシング）などの加工時、中心部への影響をコントロールできる。
【００３４】
また、本発明は、同軸変換器２５によって、真空容器１の上部中心から誘電体２の全周にマイクロ波が導入されるので、上記のスロットアンテナ構造に対する依存性は低い。従って、図７に示すように、誘電体２によって真空容器１の真空構造を維持できるようにして、円筒真空壁２１を用いない構造とすることにより、構成の簡略化と低コスト化を図ることも可能である。また、インナーウェーブガイド２３に、凸部２３ａを設けずに、構成の簡略化を図ってもよい。
【００３５】
さらに、本発明において使用されるプロセスガス、処理対象となる被処理物等も特定のものには限定されず、処理を担うプラズマ中のイオンやラジカル等は被処理物に応じて最適化される。
【００３６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、円筒状の誘電体を介したマイクロ波の導入による被処理物の処理の面内均一性効果を、より一層向上させることが可能な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】
【図１】本発明のプラズマ処理装置の一実施形態を示す縦断面図である。
【図２】図１の実施形態におけるスロットアンテナ構造を示す斜視図である。
【図３】図１の実施形態における凸部の寸法例を示す縦断面図である。
【図４】図１の実施形態におけるプラズマの分布例を示す説明図である。
【図５】図１の実施形態とのプラズマ分布の比較例を示す縦断面図である。
【図６】図１の実施形態におけるプラズマ分布例を示す縦断面図である。
【図７】本発明の他の実施形態を示す縦断面図である。
【符号の説明】
１…真空容器
２…プラズマ発生装置
３…被処理物
１０…真空室
１１…ステージ
１２…ガス導入口
１３…真空ポンプ
２０…プラズマ発生領域
２１…円筒真空壁
２１ａ…開口部
２２…誘電体
２２ａ…シール材
２３…インナーウェーブガイド
２３ａ…凸部
２４…アウターウェーブガイド
２５…同軸変換器
２５ａ…アース
２６…導波管
【図１】
2004128090.tif 000003
【図２】
2004128090.tif 000004
【図３】
2004128090.tif 000005
【図４】
2004128090.tif 000006
【図５】
2004128090.tif 000007
【図６】
2004128090.tif 000008
【図７】
2004128090.tif 000009