(57)【要約】      （修正有）【課題】ガス及び電磁波を供給可能な、プラズマ処理装置及びプラズマ発生用アンテナを提供する。【解決手段】プラズマ処理装置は、プラズマ処理が行われる処理容器と、供給された電磁波を透過する遅波板４８０と、遅波板４８０に隣接して設けられたシャワーヘッド２１０を有するプラズマ発生用アンテナ２００とを備え、シャワーヘッド２１０は、導電体で形成され、複数のガス穴２１５が形成され、複数のガス穴２１５と分離した位置に電磁波を通す複数のスロット２２０を有する。【選択図】図３
2012216525.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
プラズマ処理が行われる処理容器と、
供給された電磁波を透過する遅波板と、
前記遅波板に隣接して設けられたシャワーヘッドを有するプラズマ発生用アンテナと、を備え、
前記シャワーヘッドは、導電体で形成され、複数のガス穴が形成され、該複数のガス穴と分離した位置に電磁波を通す複数のスロットを有することを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項２】
前記プラズマ処理装置は、複数の前記プラズマ発生用アンテナ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】
前記シャワーヘッドは、プラズマ空間側に露出した面に表面波を伝搬させることを特徴とする請求項２に記載のプラズマ処理装置。
【請求項４】
前記シャワーヘッドには、前記複数のスロットの内側及び外側に前記複数のガス孔が形成されている請求項３に記載のプラズマ処理装置。
【請求項５】
前記複数のスロットを区切る部分を通り、前記スロットより内側に形成された複数のガス穴にガスを供給するガス経路を更に備えたことを特徴とする請求項４に記載のプラズマ処理装置。
【請求項６】
前記ガス経路は、複数のガスを別々に供給可能な複数のガス経路に分かれて形成される請求項５に記載のプラズマ処理装置。
【請求項７】
前記ガス経路は、前記シャワーヘッドの中心軸に対して同心円状に形成される請求項６に記載のプラズマ処理装置。
【請求項８】
複数の前記プラズマ発生用アンテナには、前記表面波の電力を調整する電磁波伝送機構がそれぞれ設けられている請求項３〜７のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。
【請求項９】
前記シャワーヘッドに直流電圧を印加する機構を更に備えたことを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。
【請求項１０】
前記シャワーヘッドに直流電圧を印加する機構は、前記同軸管との間に絶縁部材を有することを特徴とする請求項９に記載のプラズマ処理装置。
【請求項１１】
前記複数のスロットには、誘電部材が充填されていることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。
【請求項１２】
前記複数のスロットは、前記プラズマ発生用アンテナの中心軸に対して、軸対称に形成されていることを特徴とする請求項１〜１１のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。
【請求項１３】
前記シャワーヘッドの表面には、溶射が施されるか又は天板が固定され、前記複数のスロット及び前記複数のガス穴に連通する開口が形成されることを特徴とする請求項１〜１２のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。
【請求項１４】
前記シャワーヘッドは、シリコンにより形成され、該シャワーヘッドの表面は露出していることを特徴とする請求項１〜１２のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。
【請求項１５】
導電体で形成され、複数のガス穴と、該複数のガス穴と分離した位置に電磁波を通す複数のスロットとを有するシャワーヘッドを備えることを特徴とするプラズマ発生用アンテナ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プラズマ処理装置及びプラズマ発生用アンテナに関する。特に、プラズマ発生用アンテナの構造及びこれを用いたプラズマ処理装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
プラズマ処理は、半導体デバイスの製造に不可欠な技術である。近年、ＬＳＩの高集積化及び高速化の要請から、ＬＳＩを構成する半導体素子の更なる微細加工が求められている。
【０００３】
ところが、容量結合型プラズマ処理装置や誘導結合型プラズマ処理装置では、生成されるプラズマの電子温度が高く、かつプラズマ密度の高い領域が限定される。このため、半導体素子の更なる微細加工の要請に応じたプラズマ処理を実現することは難しかった。
【０００４】
したがって、このような微細加工を実現するためには、低電子温度かつ高プラズマ密度のプラズマを生成することが必要となる。これに応じるために、マイクロ波により処理容器内で表面波プラズマを生成し、これにより半導体ウエハをプラズマ処理する装置が提案されている（例えば、特許文献１、２を参照）。
【０００５】
特許文献１、２では、マイクロ波を同軸管に伝送させて処理容器内に放射し、マイクロ波の表面波が持つ電界エネルギーによってガスを励起させることにより、低電子温度で高プラズマ密度の表面波プラズマを発生させるプラズマ処理装置が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００３−１８８１０３号公報
【特許文献２】特開２００３−２３４３２７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、特許文献１のプラズマ処理装置では、マイクロ波を同軸管から処理容器内に放射するために、天板は、表面波プラズマとスロットとの間を石英等の誘電体板で挟んだ構造となっており、ガスは処理容器の側壁から処理容器内に供給される構造となっていた。このように、ガスを天板外から供給していたため、ガスの流れを制御することができず、良好なプラズマ制御が難しかった。また、天板を導電体で形成した場合にも、天板から処理容器内に電磁波を放射できる機構は開示されていなかった。
【０００８】
上記課題に対して、本発明の目的とするところは、ガス及び電磁波を供給可能な、プラズマ処理装置及びプラズマ発生用アンテナを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
また、上記課題を解決するために、本発明のある観点によれば、プラズマ処理が行われる処理容器と、供給された電磁波を透過する遅波板と、前記遅波板に隣接して設けられたシャワーヘッドを有するプラズマ発生用アンテナと、を備え、前記シャワーヘッドは、導電体で形成され、複数のガス穴が形成され、該複数のガス穴と分離した位置に電磁波を通す複数のスロットを有することを特徴とするプラズマ処理装置が提供される。
【００１０】
前記プラズマ処理装置は、複数の前記プラズマ発生用アンテナを備えてもよい。
【００１１】
前記シャワーヘッドは、プラズマ空間側に露出した面に表面波を伝搬させてもよい。
【００１２】
前記シャワーヘッドには、前記複数のスロットの内側及び外側に前記複数のガス孔が形成されてもよい。
【００１３】
前記複数のスロットを区切る部分を通り、前記スロットより内側に形成された複数のガス穴にガスを供給するガス経路を更に備えてもよい。
【００１４】
前記ガス経路は、複数のガスを別々に供給可能な複数のガス経路に分かれて形成されてもよい。
【００１５】
前記シャワーヘッドに直流電圧を印加する機構を更に備えてもよい。
【００１６】
前記シャワーヘッドに直流電圧を印加する機構は、前記同軸管との間に絶縁部材を有してもよい。
【００１７】
前記複数のスロットには、誘電部材が充填されてもよい。
【００１８】
前記複数のスロットは、前記プラズマ発生用アンテナの中心軸に対して、軸対称に形成されてもよい。
【００１９】
前記シャワーヘッドの表面には、溶射が施されるか又は天板が固定され、前記複数のスロット及び前記複数のガス穴に連通する開口が形成されてもよい。
【００２０】
前記シャワーヘッドは、シリコンにより形成され、該シャワーヘッドの表面は露出してもよい。
【００２１】
上記課題を解決するために、本発明の別の観点によれば、導電体で形成され、複数のガス穴と、該複数のガス穴と分離した位置に電磁波を通す複数のスロットとを有するシャワーヘッドを備えることを特徴とするプラズマ発生用アンテナが提供される。
【発明の効果】
【００２２】
以上説明したように、本発明によれば、ガス及び電磁波を供給可能な、プラズマ処理装置及びプラズマ発生用アンテナを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】第１実施形態に係るプラズマ処理装置の概略縦断面図である。
【図２】第１実施形態に係るマイクロ波の出力側の機構を示した図である。
【図３】第１実施形態に係るプラズマ発生用アンテナの拡大図である。
【図４】第１実施形態に係るシャワーヘッドの下面図である。
【図５】スロット形状の変形例を示した図である。
【図６】第２実施形態に係るプラズマ発生用アンテナの拡大図である。
【図７】変形例に係るプラズマ発生用アンテナの拡大図である。
【図８】第３実施形態に係るプラズマ発生用アンテナの拡大図である。
【図９】第４実施形態に係るプラズマ発生用アンテナを示した図である。
【図１０】第４実施形態に係るマイクロ波の出力側の機構を示した図である。
【図１１】第４実施形態に係るプラズマ発生用アンテナの変形例を示した図である。
【図１２】第４実施形態に係るプラズマ発生用アンテナの変形例を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下に添付図面を参照しながら、本発明の実施形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。
【００２５】
なお、本発明の実施形態は、第１〜第４実施形態の順に以下の内容で説明される。
＜第１実施形態＞
［プラズマ処理装置の構成］
［プラズマ発生用アンテナの構成］
［スロットの変形例］
＜第２実施形態＞
［プラズマ発生用アンテナの構成］
＜第３実施形態＞
［プラズマ発生用アンテナの構成］
＜第４実施形態＞
［プラズマ発生用アンテナの構成］
［プラズマ発生用アンテナの動作］
【００２６】
＜第１実施形態＞
［プラズマ処理装置の構成］
まず、本発明の第１実施形態に係るプラズマ処理装置の全体構成について、図１を参照しながら説明する。図１は、プラズマ処理装置を概略的に示した縦断面図である。
【００２７】
本実施形態では、半導体ウエハＷ（以下、ウエハＷと称呼する。）にプラズマ処理としてエッチング処理を施すエッチング装置を例に挙げてプラズマ処理装置１０を説明する。プラズマ処理装置１０は、気密に保持された内部にてウエハＷをプラズマ処理する処理容器１００を有する。処理容器１００は円筒状で、たとえばアルミニウム等の金属から形成され、接地されている。
【００２８】
処理容器１００の底部には、ウエハＷを載置するサセプタ１０５が設けられている。サセプタ１０５は、アルミニウム等の金属から形成されていて、絶縁体１１０を介して支持部材１１５により支持され、処理容器１００の底部に設置されている。これにより、サセプタ１０５は、電気的に浮いた状態になっている。サセプタ１０５及び支持部材１１５の材料としては、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が挙げられる。
【００２９】
サセプタ１０５には、整合器１２０を介してバイアス用の高周波電源１２５が接続されている。高周波電源１２５は、サセプタ１０５にバイアス用の高周波電力を印加する、これにより、ウエハＷ側にプラズマ中のイオンが引き込まれる。なお、図示していないが、サセプタ１０５には、ウエハＷを静電吸着するための静電チャック、温度制御機構、ウエハＷの裏面に熱伝達用のガスを供給するためのガス流路、ウエハＷを搬送する際に昇降する昇降ピン等が設けられてもよい。
【００３０】
処理容器１００の底部には排気口１３０が設けられ、排気口１３０には、図示しない真空ポンプを含む排気装置１３５が接続されている。排気装置１３５を作動させると、処理容器１００の内部が排気され、所望の真空度まで減圧される。処理容器１００の側壁には、搬入出口１４０が形成され、搬入出口１４０を開閉可能なゲートバルブ１４５の開閉により、ウエハＷが搬入出される。
【００３１】
サセプタ１０５の上方には、ガスを供給しつつ、電磁波（ここではマイクロ波）の供給が可能なプラズマ発生用アンテナ２００(以下、アンテナ２００と称呼する）が装着されている。アンテナ２００は、蓋体１５０の開口部分に設けられている。これにより、サセプタ１０５とアンテナ２００との間にプラズマ空間Ｕが形成される。アンテナ２００の上部には、マイクロ波を伝送する電磁波伝送機構としてのマイクロ波伝送機構４００が連結され、マイクロ波出力部３００から出力されたマイクロ波をアンテナ２００に伝えるようになっている。
【００３２】
制御装置５００は、後述するようにアンテナ２００に印加するＤＣ電圧等を制御する。制御装置５００は、制御部５０５及び記憶部５１０を有している。制御部５０５は、記憶部５１０に記憶されたレシピに従い、プロセス毎にアンテナ２００に印加するＤＣ電圧を制御する。なお、制御装置５００への指令は、専用の制御デバイスあるいはプログラムを実行するＣＰＵ(図示せず)により実行される。プロセス条件を設定したレシピは、ＲＯＭや不揮発性メモリ(ともに図示せず)に予め記憶されていて、ＣＰＵが、これらのメモリからレシピの条件を読み出し実行する。
【００３３】
図２を参照しながら、マイクロ波出力部３００及びマイクロ波伝送機構４００の構成について説明する。図２の左側には、マイクロ波出力部３００の内部構成が示されている。図２の右側には、マイクロ波伝送機構４００の内部構成が示されている。
【００３４】
マイクロ波出力部３００は、マイクロ波電源３０５、マイクロ波発振器３１０及びアンプ３１５を有している。マイクロ波電源３０５は、２．４５ＧＨｚ、８．３５ＧＨｚ、５.８ＧＨｚ、１．９８ＧＨｚ等の周波数のマイクロ波を出力する。マイクロ波電源３０５は、電磁波源の一例であり、マイクロ波帯の電磁波を出力する。電磁波源は、マイクロ波に限らず、１００ＭＨｚのＲＦ帯から３ＧＨｚのマイクロ波帯までの電磁波を出力する電源である。マイクロ波発振器３１０は、例えば、２．４５ＧＨｚの所定周波数のマイクロ波をＰＬＬ発振させる。アンプ３１５は、発振されたマイクロ波を増幅する。
【００３５】
マイクロ波伝送機構４００は、アンテナモジュール４１０とマイクロ波導入機構４５０とを有している。アンテナモジュール４１０は、位相器４１２、可変ゲインアンプ４１４、メインアンプ４１６及びアイソレータ４１８を有していて、マイクロ波出力部３００から出力されたマイクロ波をマイクロ波導入機構４５０に伝送する。
【００３６】
位相器４１２は、スラグチューナによりマイクロ波の位相を変化させるように構成され、これを調整することにより放射特性を変調させることができる。これによれば、指向性を制御してプラズマ分布を変化させることができる。なお、このような放射特性の変調が不要な場合には位相器４１２は設ける必要はない。
【００３７】
可変ゲインアンプ４１４は、メインアンプ４１６へ入力するマイクロ波の電力レベルを調整し、プラズマ強度の調整を行う。メインアンプ４１６は、ソリッドステートアンプを構成する。ソリッドステートアンプは、図示していない入力整合回路、半導体増幅素子、出力整合回路及び高Ｑ共振回路を有する構成とすることができる。
【００３８】
アイソレータ４１８は、アンテナ２００で反射してメインアンプ４１６に戻るマイクロ波の反射波を分離するものであり、サーキュレータとダミーロード（同軸終端器）とを有している。サーキュレータは、アンテナ２００で反射したマイクロ波をダミーロードへ導き、ダミーロードは、サーキュレータによって導かれたマイクロ波の反射波を熱に変換する。
【００３９】
［プラズマ発生用アンテナの構成］
次に、第１実施形態に係るマイクロ波導入機構４５０及びプラズマ発生用アンテナ２００の構成について図３を参照しながら説明する。図３は、第１実施形態に係るマイクロ波導入機構４５０及びアンテナ２００の拡大図（左半分）である。
【００４０】
マイクロ波導入機構４５０は、同軸管４５５及び遅波板４８０を有している。同軸管４５５は、筒状の外部導体４５５ａ及びその中心に設けられた棒状の内部導体４５５ｂからなる同軸状の導波管を有している。同軸管４５５の下端には、遅波板４８０を介してアンテナ２００が設けられている。同軸管４５５は、内部導体４５５ｂが給電側、外部導体４５５ａが接地側になっている。同軸管４５５には、チューナ４７０が設けられている。チューナ４７０は、２つのスラグ４７０ａを有し、スラグチューナを構成している。スラグ４７０ａは誘電部材の板状体として構成されており、同軸管４５５の内部導体４５５ｂと外部導体４５５ａとの間に円環状に設けられている。チューナ４７０は、制御部５０５からの指令に基づき、図示しないアクチュエータによりスラグ４７０ａを上下動させることにより、インピーダンスを調整するようになっている。制御部５０５は、例えば、同軸管４５５の終端で５０Ωの特性インピーダンスになるようにインピーダンスを調整する。
【００４１】
遅波板４８０は、同軸管４５５の下面に隣接して設けられている。遅波板４８０は、円板状の誘電部材から形成されている。遅波板４８０は、同軸管４５５を伝送されたマイクロ波を透過し、アンテナ２００へと導く。
【００４２】
アンテナ２００は、シャワーヘッド(ガスシャワーヘッド)２１０及びシャワーヘッド２１０に直流電圧を印加する機構(以下、ＤＣ印加機構２５０と称呼する）を有する。シャワーヘッド２１０は、遅波板４８０の下面に隣接して設けられている。シャワーヘッド２１０は、遅波板４８０より径が大きな円板状であり、アルミニウムや銅等の電気伝導率が高い導電体から形成されている。シャワーヘッド２１０は、プラズマ空間Ｕ側に露出し、露出した下面に表面波を伝搬させる。ここでは、シャワーヘッド２１０の金属面がプラズマ空間Ｕ側に露出している。このように露出した下面に伝搬する表面波を以下、金属表面波という。
【００４３】
シャワーヘッド２１０は、複数のガス穴２１５と、それらのガス穴２１５と分離した位置にマイクロ波を通す複数のスロット２２０を有している。シャワーヘッド２１０には、その側面を貫通し、シャワーヘッド２１０の径方向にガス経路２２５が形成されている。ガスは、ガス供給源６００（図１参照）から供給され、ガス供給管６０５を通ってガス経路２２５から複数のガス穴２１５に入り、各ガス穴２１５から処理容器内に導入される。シャワーヘッド２１０のプラズマ側に露出した面は、溶射により例えばアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）やイットリア（Ｙ２Ｏ３）の被膜２９０で覆い、導体面がプラズマ空間側に露出しないようにしている。被膜２９０には、複数のスロット２２０及び複数のガス穴２１５に連通する開口が形成される。
【００４４】
シャワーヘッド２１０には図示しない冷却路が設けられ、シャワーヘッド２１０を冷却するようになっている。シャワーヘッド２１０は、電気伝導率が高い導電体であるため、マイクロ波の伝送経路であるスロット２２０からの熱を効率よく処理容器本体側へと逃がすことができる。
【００４５】
複数のスロット２２０は、ガスの供給経路であるガス経路２２５及び複数のガス穴２１５と分離した位置に設けられ、シャワーヘッド２１０の径方向と垂直な方向に貫通している。スロット２２０の一端は、遅波板４８０に隣接し、他端は、プラズマ空間Ｕ側に開口している。マイクロ波は、同軸管４５５を伝送し、遅波板４８０を透過した後、複数のスロット２２０に通され、プラズマ空間Ｕに放射される。
【００４６】
図４は、シャワーヘッド２１０のプラズマ空間Ｕに露出した面（下面）を示した図である。複数のガス穴２１５が概ね均等に配置されている。ガス穴２１５は、略リング状のスロット２２０の外周側及び内周側に設けられている。スロット２２０は、完全なリング状には形成されておらず、４つに区切られた扇状となっている。スロット２２０が区切られた部分Ａには、ガス経路２２５がスロット２２０と連通しないように形成され、スロット２２０の内周側に設けられたガス穴２１５にガスを供給するようになっている。よって、スロット２２０には、ガス経路２２５を通すための区切りが少なくとも一つ必要である。よって、本実施形態では、スロット２２０は４つであるが、これに限られず、少なくとも一つ以上の区切り部分を有していればよい。
【００４７】
複数のスロット２２０は、アンテナ２００の中心軸（図３の中心軸Ｏ）に対して、軸対称に形成されている。これにより、スロット２２０からより均一にマイクロ波を放射することができる。
【００４８】
ガス穴２１５は、プラズマ空間Ｕに放射されたマイクロ波が当該ガス穴２１５の内部に入り込まないように細穴となっている。また、スロット２２０とガス穴２１５とは、シャワーヘッド２１０内にて完全に分離されている。これにより、ガス経路２２５やガス穴２１５での異常放電を防止することができる。
【００４９】
再び図３に戻って、遅波板４８０とシャワーヘッド２１０との接触面にはＯリング４８５及びＯリング４９５が設けられ、大気側に設けられたマイクロ波伝送機構４００からシャワーヘッド２１０及び処理空間１００の内部を真空シールしている。これにより、プラズマ空間Ｕ、スロット２２０、ガス経路２２５、ガス穴２１５の内部を真空状態にすることができる。
【００５０】
本実施形態のように、シャワーヘッド２１０が導電体の場合には、シャワーヘッド２１０にＤＣ電圧（直流電圧）を印加できる。具体的には、制御部５０５の指令に従い、ＤＣ電源２５５から出力されたＤＣ電圧は、ＤＣ印加機構２５０に供給される。ＤＣ印加機構２５０は、ＤＣ電極２６０、絶縁部材２６５及び絶縁シート２７０を有する。ＤＣ電極２６０は、筒状の導電体２６０ａを有し、筒状の導電体２６０ａを介してシャワーヘッド２１０に接続され、これにより、シャワーヘッド２１０にＤＣ電圧を印加する。ＤＣ電極２６０は、筒状の導電体２６０ａの下端に設けられた図示しない絶縁ソケットによりシャワーヘッド２１０にネジ止めされている。
【００５１】
ＤＣ電極２６０は同軸管４５５の外部導体４５５ａ及び蓋体１５０に近接している。そこで、ＤＣ電極２６０と同軸管４５５及びＤＣ電極２６０と蓋体１５０をＤＣ的に絶縁するためにＤＣ電極２６０を絶縁部材２６５で覆い、ＤＣ電極２６０と同軸管４５５及びＤＣ電極２６０と蓋体１５０を絶縁する。また、シャワーヘッド２１０と同軸管４５５及びシャワーヘッド２１０と蓋体１５０をＤＣ的に絶縁するために、シャワーヘッド２１０と同軸管４５５との間、及びシャワーヘッド２１０と蓋体１５０との間に絶縁シート２７０を挟む。このようにして、処理容器１００をＤＣ的に絶縁することにより、ＤＣ電圧がシャワーヘッド２１０のみに印加され、ＤＣ電圧のかかる部材をできるだけ少なくすることができる。なお、シャワーヘッド２１０が絶縁体で形成されている場合には、ＤＣ電圧をシャワーヘッド２１０に印加することはできない。ただし、その場合、ＲＦ電圧を印加すれば、同様な効果を期待できる。
【００５２】
以上に説明したように、本実施形態に係るプラズマ処理装置１０によれは、同軸管４５５から導入されたマイクロ波は、遅波板４８０を通り、シャワーヘッド２１０を貫通して形成された複数のスロット２２０を通してプラズマ空間Ｕへ放射される。そのとき、シャワーヘッド２１０の表面にはプラズマシースを境界条件として分散関係で特徴付けられる波長をもった定在波（金属表面波）が発生し、表面波プラズマに吸収される。ガス供給源６００から供給されたガスもまた、シャワーヘッド２１０を通ってプラズマ空間Ｕへ導入される。導入されたガスは、表面波プラズマにより励起される。これにより、処理容器１００内のプラズマ空間Ｕに低電子温度かつ高プラズマ密度のプラズマが生成される。生成されたプラズマは、ウエハＷのエッチング処理に使われる。プラズマは低電子温度であるため、ウエハＷはダメージを受けにくく、また、高プラズマ密度であるため、ウエハＷに高速に微細加工を施すことができる。また、シャワーヘッド２１０を導電体で形成することにより、反応性エッチング等のプロセスを実行することができる。
【００５３】
一般的な表面波プラズマ源の場合、アンテナスロットの下部には誘電体が設置され、誘電体にシャワーヘッド構造を作製した場合、電磁波は誘電体を透過するために、その内部で異常放電が発生する可能性が高くなり、一般的な表面波プラズマ源でシャワーヘッド構造を採用することは極めて困難であった。例えば、アルゴンプラズマにおいて、シャワーヘッド空間内に１０ｍｍの空間が空いている場合、その距離に沿って約１２０ボルトの電圧がシャワーヘッド内部に生じると、圧力１Ｔｏｒｒでシャワーヘッド内部で異常放電が発生する可能性が高くなる。
【００５４】
これに対して、本実施形態に係るプラズマ処理装置１０は、シャワーヘッド２１０が金属などの導電体でできているため、シャワーヘッド２１０内部に電磁波は進入せず、シャワーヘッド２１０内部の電界は無いに等しい。そのため、異常放電は起こらない。電磁波とガスは、シャワーヘッド２１０内部で隔離されており、処理容器１００内に入って始めてそれらは接触する。それゆえ、本実施形態に係るプラズマ処理装置１０を用いることで、シャワーヘッド２１０で均一にガスを放出させながら、異常放電無く、表面波プラズマを生成することができる。
【００５５】
また、本実施形態に係るプラズマ処理装置１０によれは、シャワーヘッド２１０にＤＣ電圧を印加しながら、同一のシャワーヘッド２１０にマイクロ波を印加することができる。これにより、プラズマ処理装置１０を多様なプロセスに適用することができる。例えば、マイクロ波が印加されると、シャワーヘッド２１０の表面に表面波が伝搬する。このとき、シャワーヘッド２１０の表面にはシース領域が発生し、シースの中を表面波が伝搬する。ＤＣ電圧は、そのシースの厚さを制御する。例えば、ＤＣ電圧をシャワーヘッド２１０に印加するとシースを厚く制御することができ、その結果、シャワーヘッド２１０の表面を伝搬する表面波の伝搬距離を長くすることができる。このようにＤＣ電圧の制御によりプラズマシース電圧を操作することによって、表面波の伝搬距離を制御し、プラズマの電子密度及びラジカル密度を最適化することができる。
【００５６】
［スロットの変形例］
アンテナ２００に形成されるスロットの変形例について図５を参照しながら説明する。図５の上側、中央、下側には、それぞれ異なる形状のスロット２２０が図示されている。図５の上側のスロットは、６つのスロット２２０に区切られている。各スロット２２０は中央で厚く両端部が薄い同一形状である。隣接するスロット２２０の両端部は互いに対向している。
【００５７】
図５の中央のスロットは、６つのスロット２２０に区切られている。各スロット２２０の中央は両端部と同じ薄さである。各スロット２２０は、やや湾曲しながら斜め方向に傾いた同一形状である。隣接するスロット２２０の両端部は互いに対向している。
【００５８】
図５の下側のスロットは、外周側が４つのスロット２２０に区切られ、内周側も４つのスロット２２０に区切られた２段のスロット構造となっている。各スロット２２０は同じ厚さの円弧状であり、同一形状である。外周側のスロット２２０間の区切りが内周側のスロット２２０の中央に位置し、内周側のスロット２２０間の区切りが外周側のスロット２２０の中央に位置するように配置されている。
【００５９】
いずれの変形例においても、複数のスロット２２０は、アンテナ２００の中心軸に対して、軸対称に形成されている。これにより、マイクロ波を処理容器１００内に均一に放射することができる。また、複数のスロット２２０は、少なくとも１つ以上の区切り部分を有している。これにより、スロット２２０の外周側及び内周側に形成された図示しないガス穴２１５からガスを供給することができる。
【００６０】
＜第２実施形態＞
［プラズマ発生用アンテナの構成］
次に、第２実施形態に係るプラズマ発生用アンテナの構成について図６を参照しながら説明する。図６は、第２実施形態に係るプラズマ発生用アンテナ２００の拡大図（左半分）である。第２実施形態に係るプラズマ発生用アンテナ２００は、第１実施形態に係るアンテナに替えて、図１のプラズマ処理装置１０のアンテナ部分に適用され得る。
【００６１】
第２実施形態に係る複数のスロット２２０には、誘電部材２２０ａが充填されている。誘電部材２２０ａとしては、石英等を用いてもよい。これにより、スロット２２０内にプラズマが進入することを防ぐことができる。
【００６２】
第２実施形態では、例えばアルミニウムで形成されたシャワーヘッド２１０のプラズマ空間側の露出面には、シリコンの天板７００が固定されている。これにより、プラズマによりダメージを受けた天板７００を交換することができ、シャワーヘッド２１０の寿命を延ばすことができる。天板７００には、複数のスロット２２０及び複数のガス穴２１５に連通する開口が形成される。スロット２２０と連通する開口には、スロット２２０と同様に誘電部材２２０ａが充填される。
【００６３】
＜変形例＞
上記実施形態の変形例として、シャワーヘッド２１０がシリコンで形成されている場合を挙げる。その場合には、シャワーヘッド２１０に溶射を施すことや天板７００を設けることなく、図７に示したように、そのままシャワーヘッド２１０のシリコン表面を露出する。
【００６４】
第２実施形態及び変形例の場合にも、シャワーヘッド２１０にＤＣ電圧を印加しながら、同一のシャワーヘッド２１０にマイクロ波を印加することができる。これにより、プラズマ処理装置１０を多様なプロセスに適用することができる。例えば、マイクロ波が印加されると、シャワーヘッド２１０の表面に表面波が伝搬する。このとき、シャワーヘッド２１０の表面にはシース領域が発生し、シースの中を表面波が伝搬する。ＤＣ電圧は、そのシースの厚さを制御する。例えば、ＤＣ電圧をシャワーヘッド２１０に印加するとシースを厚く制御することができ、その結果、シャワーヘッド２１０の表面を伝搬する表面波の伝搬距離を長くすることができる。このようにＤＣ電圧の制御によりプラズマシース電圧を操作することによって、表面波の伝搬距離を制御し、プラズマの電子温度を最適化することができる。さらに、変形例の場合には、ＤＣ電圧をシャワーヘッド２１０に印加すると、シャワーヘッド２１０からシリコンをたたき出して、これによりエッチングの選択比を高めることも可能となる。
【００６５】
プラズマ生成時のガス種、圧力及び高周波電力の大きさによっては、スロット２２０の近傍にプラズマが過度に集中し、プラズマの均一性を乱す恐れがある。しかしながら、以上に説明したように、本実施形態に係るプラズマ処理装置１０によれば、スロット２２０の内部に誘電部材２２０ａが充填されている。このため、スロット２２０内にプラズマが進入することを防ぐことができる。これにより、プラズマの均一性を高めることができる。また、スロット２２０内の誘電部材２２０ａにより、スロット内を通るマイクロ波の実効的な波長を短くすることができる。これにより、シャワーヘッド２１０の厚さを薄くすることができる。
【００６６】
＜第３実施形態＞
［プラズマ発生用アンテナの構成］
次に、第３実施形態に係るプラズマ発生用アンテナの構成について図８を参照しながら説明する。図８は、第３実施形態に係るプラズマ発生用アンテナの拡大図（左半分）である。第３実施形態に係るプラズマ発生用アンテナ２００は、第１実施形態に係るアンテナに替えて、図１のプラズマ処理装置１０のアンテナ部分に適用され得る。
【００６７】
第３実施形態に係るシャワーヘッド２００のガス経路は、第１のガス経路２２５ａ及び第２のガス経路２２５ｂに分かれている。第１のガス経路２２５ａ及び第２のガス経路２２５ｂは、完全に分離されている。第１のガス経路２２５ａは、ガス供給管６０５ａに接続されている。また、第２のガス経路２２５ｂは、ガス供給管６０５ｂに接続されている。所望のガス１は、ガス供給源６００（図１参照）から供給され、ガス供給管６０５ａを通ってガス経路２２５ａから複数のガス穴２１５に入り、各ガス穴２１５から処理容器内に導入される。所望のガス２は、ガス供給源６００（図１参照）から供給され、ガス供給管６０５ｂを通ってガス経路２２５ｂから別の複数のガス穴２１５に入り、各ガス穴２１５から処理容器内に導入される。これにより、隣接するガス穴から異なる種類のガスを交互に導入することができる。
【００６８】
以上に説明したように、本実施形態に係るプラズマ処理装置１０によれば、シャワーヘッド２００中に独立した２つのシャワーヘッド空間（マトリクスシャワー）が設けられ、これにより２系統のガスの流れを制御する。ガスは、各シャワーヘッドから処理容器１００に供給され、処理容器内の空間で混合され、２種以上のガスを反応させることができる（ポストミックス）。これによれば、ガス種によってガスの導入位置を最適化でき、所望のプラズマを生成することができる。なお、ガス経路は、２系統に限られず、３種類以上のガスを混合せずに別々に供給可能な３系統以上のガス経路に分かれていてもよい。
【００６９】
＜第４実施形態＞
［プラズマ発生用アンテナの構成］
次に、第４実施形態に係るプラズマ発生用アンテナの構成について図９及び図１０を参照しながら説明する。図９は、第４実施形態に係るプラズマ処理装置のアンテナ部分を示した図である。図９では、アンテナ２００より下の部分を省略しているが、第４実施形態に係るプラズマ処理装置１０は、第１実施形態に係るプラズマ処理装置と同様の構成である。図１０は、マイクロ波出力部３００及びマイクロ波伝送機構４００の構成を示した図である。
【００７０】
第４実施形態に係るプラズマ処理装置１０では、３つのアンテナ２００が、蓋体１５０に設けられている。各アンテナ２００の基本的構造は第１実施形態にて説明したのでここでは説明を省略する。
【００７１】
第４実施形態に係るプラズマ処理装置１０では、マイクロ波は、図１０のマイクロ波出力部３００内に示した、マイクロ波電源３０５から出力され、マイクロ波発振器３１０及びアンプ３１５を介して分配器３２０にて分配される。
【００７２】
具体的には、マイクロ波発振器３１０は、例えば、２．４５ＧＨｚの所定周波数のマイクロ波をＰＬＬ発振させる。アンプ３１５は、発振されたマイクロ波を増幅する。分配器３２０は、増幅されたマイクロ波を複数に分配する。分配器３２０では、マイクロ波ができるだけ損失されないように、入力側と出力側のインピーダンス整合を取りながらアンプ３１５で増幅されたマイクロ波を分配する。分配されたマイクロ波は、各アンテナモジュールに４１０に伝送される。
【００７３】
本実施形態では、マイクロ波伝送機構４００は、分配器３２０で分配されたマイクロ波を伝送する３つのアンテナモジュール４１０を有している。各アンテナモジュール４１０は、マイクロ波を各アンテナモジュール４１０に接続された同軸管４５５から処理容器１００内に放射し、その内部でマイクロ波を空間合成する。よって、アイソレータ４１８は小型のものでよく、メインアンプ４１６に隣接して設けることができる。
【００７４】
各アンテナモジュール４１０の位相器４１２は、スラグチューナによりマイクロ波の位相を変化させるように構成され、これを調整することにより放射特性を変調させることができる。例えば、アンテナモジュール４１０毎に位相を調整することにより、指向性を制御してプラズマ分布を変化させることや、隣り合うアンテナモジュール４１０において９０°ずつ位相をずらすようにして円偏波を得ることができる。なお、このような放射特性の変調が不要な場合には位相器４１２は設ける必要はない。
【００７５】
可変ゲインアンプ４１４は、メインアンプ４１６へ入力するマイクロ波の電力レベルを調整し、個々のアンテナモジュール４１０のバラツキの調整やプラズマ強度の調整を行う。可変ゲインアンプ４１４をアンテナモジュール４１０毎に変化させることにより、発生するプラズマに分布を生じさせることもできる。
【００７６】
メインアンプ４１６は、ソリッドステートアンプを構成する。ソリッドステートアンプは、図示していない入力整合回路、半導体増幅素子、出力整合回路及び高Ｑ共振回路を有する構成とすることができる。
【００７７】
アイソレータ４１８は、アンテナ２００で反射してメインアンプ４１６に向かうマイクロ波の反射波を分離するものであり、サーキュレータとダミーロード（同軸終端器）とを有している。サーキュレータは、アンテナ２００で反射したマイクロ波をダミーロードへ導き、ダミーロードは、サーキュレータによって導かれたマイクロ波の反射波を熱に変換する。アンテナモジュール４１０から出力されたマイクロ波は、マイクロ波導入機構４５０に伝送され、アンテナ２００に導かれる。
【００７８】
なお、本実施形態では、３つのアンテナ２００を蓋体１５０に個別に設け、それぞれにガス供給管６０５を設けていた、換言すれば、各アンテナ２００ごとに独立してシャワーヘッド２１０が設けられていたが、複数のシャワーヘッド２１０を蓋体１５０に設けるよりも、複数のアンテナ２００に対して１つのシャワーヘッド２１０を設けるほうが製作が容易である。したがって、本実施形態の変形例として、例えば図１１に示すように、３つのアンテナ２００に対して１つのシャワーヘッド２１０を共通で設けてもよい。かかる場合、共通のシャワーヘッド２１０に対してガス供給管６０５が１つ設けられる。なお、図１１において、各アンテナ２００の基本的構造は、シャワーヘッド２１０とガス供給管６０５が複数のアンテナ２００に対して共通化されている点を除き図９に示す場合と同様である。
【００７９】
また、複数のアンテナ２００を１つのシャワーヘッド２１０に共通して設ける場合、例えばそれぞれ独立した環状のガス経路２２５を蓋体１５０の中心軸を中心として同心円状に形成してもよい。かかる場合、各ガス経路２２５は互いに隔離される。具体的には、例えば図１２に示すように、シャワーヘッド２１０に内外２系統の環状のガス経路２２５ｃ、２２５ｄを形成する。それぞれのガス経路２２５ｃ、２２５ｄには、ガス供給管６０５がそれぞれ設けられる。こうすることで、プラズマ空間Ｕへ導入するガスの流速や導入するガスの種類を、シャワーヘッド２１０の中心側の領域と、外側の領域とでそれぞれ異なるものとすることができる。
【００８０】
［プラズマ発生用アンテナの動作］
最後に、第１〜第４実施形態にかかるプラズマ処理装置１０の動作について、図１を参照しながら説明する。まず、ウエハＷを処理容器１００内に搬入し、サセプタ１０５上に載置する。そして、例えばＡｒガス等のプラズマガスは、ガス供給源６００から供給され、ガス供給管６０５を通ってシャワープレート２００から処理容器１００内に導入される。マイクロ波は、マイクロ波出力部３００から出力され、マイクロ波伝送機構４００及び遅波板４８０、スロット２２０を通って処理容器１００内に導入される。マイクロ波の電界エネルギーによりプラズマガスが励起され、プラズマが生成される。
【００８１】
次に、例えばＣｌ２ガス等のエッチングガスが、ガス供給源６００から供給され、複数に分岐したガス供給管６０５を通ってシャワープレート２００から処理容器１００内に導入される。エッチングガスは、同様に励起されてプラズマ化する。このようにして形成された処理ガスのプラズマによりウエハＷに、例えばエッチング処理が施される。プラズマは低電子温度であるため、ウエハＷはダメージを受けにくく、また、高プラズマ密度であるため、ウエハＷに高速に微細加工を施すことができる。
【００８２】
特に、第４実施形態にかかるプラズマ処理装置１０では、マイクロ波発振器３１０から発振されたマイクロ波は、アンプ３１５で増幅された後、分配器３２０により複数に分配される。分配されたマイクロ波は、複数のアンテナモジュール４１０に導かれる。各アンテナモジュール４１０において、このように複数に分配されたマイクロ波は、ソリッドステートアンプを構成するメインアンプ４１６で個別に増幅し、各マイクロ波導入機構４５０に伝送される。各マイクロ波導入機構４５０では、同軸管４５５を用いてマイクロ波が遅波板４８０に伝送される。遅波板４８０を透過したマイクロ波は、各シャワーヘッド２００のスロット２００から処理容器内に放射される。
【００８３】
以上、各実施形態によれば、ガス及び電磁波を分離して供給可能な、プラズマ発生用アンテナ２００及びプラズマ処理装置１０を提供することができる。
【００８４】
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明はかかる例に限定されない。本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
【００８５】
例えば、上記実施形態では、プラズマ処理装置内にて実行されるプラズマ処理としてエッチング処理を例に挙げて説明したが、本発明はかかる例に限定されない。例えば、本発明に係るプラズマ処理装置は、成膜やアッシング等、あらゆるプラズマ処理を実行可能である。
【００８６】
また、本発明に係るプラズマ発生用アンテナは、上記実施形態に示したマイクロ波プラズマ処理装置に限られず、誘導結合型ＩＣＰ（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ  Ｃｏｕｐｌｅｄ  Ｐｌａｓｍａ）のプラズマ処理装置、容量結合型のプラズマ処理装置等いずれのプラズマ処理装置にも使用することができる。そして、本発明に係るプラズマ処理装置は、表面波プラズマを使うプロセス、ＩＣＰプラズマを使うプロセス、ＣＣＰプラズマを使うプロセスに適用可能である。
【００８７】
また、各実施形態では、プラズマ処理装置に取り付けられたプラズマ発生用アンテナは１つ又は３つであった。しかしながら、本発明に係るプラズマ処理装置に取り付けるプラズマ発生用アンテナの数は、これに限定されず、２つ又は４つ又はそれ以上であってもよい。ただし、ウエハＷをイオンによってたたく工程を含むプロセスの場合には、複数のプラズマ発生用アンテナを持ったプラズマ処理装置が好ましい。一方、ウエハＷをラジカルで反応させるプロセスの場合には、１つのプラズマ発生用アンテナを持ったプラズマ処理装置が好ましい。
【００８８】
また、本発明に係るプラズマ処理装置の処理容器は、円筒状に限られず、例えば６角形や４角形でもよい。従って、本発明に係るプラズマ処理装置にて処理される被処理体は、円盤状の半導体ウエハに限らず、例えば、矩形の基板であってもよい。
【符号の説明】
【００８９】
１０      プラズマ処理装置
１００    処理容器
１０５    サセプタ
１５０    蓋体
２００    プラズマ発生用アンテナ
２１０    シャワーヘッド
２１５    ガス穴
２２０    スロット
２２５    ガス経路
２２５ａ  第１のガス経路
２２５ｂ  第２のガス経路
２５０    ＤＣ印加機構
２５５    ＤＣ電源
２６０    ＤＣ電極
３００    マイクロ波出力部
４００    マイクロ波伝送機構
４１０    アンテナモジュール
４５０    マイクロ波導入機構
４５５    同軸管
４５５ａ  外部導体
４５５ｂ  内部導体
４８０    遅波板
５００    制御装置
５０５    制御部
６００    ガス供給源
Ｕ        プラズマ空間
【図１】
2012216525.tif 000003
【図２】
2012216525.tif 000004
【図３】
2012216525.tif 000005
【図４】
2012216525.tif 000006
【図５】
2012216525.tif 000007
【図６】
2012216525.tif 000008
【図７】
2012216525.tif 000009
【図８】
2012216525.tif 000010
【図９】
2012216525.tif 000011
【図１０】
2012216525.tif 000012
【図１１】
2012216525.tif 000013
【図１２】
2012216525.tif 000014