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JP2013243218A - プラズマ処理装置、及びプラズマ処理方法 - Google Patents

プラズマ処理装置、及びプラズマ処理方法 Download PDF

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JP2013243218A JP2012114934A JP2012114934A JP2013243218A JP 2013243218 A JP2013243218 A JP 2013243218A JP 2012114934 A JP2012114934 A JP 2012114934A JP 2012114934 A JP2012114934 A JP 2012114934A JP 2013243218 A JP2013243218 A JP 2013243218A
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plasma processing
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plasma
processing apparatus
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Naoki Matsumoto
直樹 松本
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Tokyo Electron Ltd
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Abstract

【課題】誘電体の温度の均一性を保つ。
【解決手段】プラズマ処理装置１０は、処理空間Ｓを画成する処理容器１２と、マイクロ波発生器１６と、処理空間Ｓに対向する対向面２０ａを有する誘電体窓２０とを備える。また、プラズマ処理装置１０は、誘電体窓２０の対向面２０ａの反対側の面２０ｂ上に設けられ、マイクロ波発生器１６によって発生されるマイクロ波に基づいて、誘電体窓２０を介してプラズマ励起用のマイクロ波を処理空間Ｓへ放射するアンテナ１８を備える。また、アンテナ１８は、誘電体窓２０の対向面２０ａの反対側の面２０ｂ上に設けられ、複数のスロット３０ａが形成されたスロット板３０を含み、スロット板３０の内部には、ヒータ３１が設けられる。スロット板３０の内部に設けられたヒータ３１による加熱処理により、誘電体窓２０の温度の均一性が保たれる。
【選択図】図１

Description

本発明の種々の側面及び実施形態は、プラズマ処理装置、及びプラズマ処理方法に関するものである。
半導体の製造プロセスでは、薄膜の堆積又はエッチング等を目的としたプラズマ処理が広く行われている。高性能かつ高機能な半導体を得るためには、被処理基板の被処理面全面に対し、均一なプラズマ処理を行うことが要求される。
近年のプラズマ処理においては、マイクロ波によるプロセスガスの励起を利用したプラズマ処理装置が用いられている。このプラズマ処理装置は、マイクロ波発生器によって発生されたマイクロ波を、複数のスロットが形成されたスロット板を用いてプラズマ励起用のマイクロ波として放射する。また、プラズマ処理装置は、スロット板とプラズマ処理空間との間に設けられた誘電体によって、スロット板から放射されたプラズマ励起用のマイクロ波を処理空間へ導く。
ところで、このようなプラズマ処理装置においては、被処理基板の被処理面全面に対して均一なプラズマ処理を行うために、誘電体の温度の均一性を保つことが求められる。この点、特許文献１では、チャンバの側壁の外周に加熱機構を設け、この加熱機構により誘電体を周辺部から加熱することが開示されている。
ＷＯ２０１０−００１９３８号公報
しかしながら、従来技術のように、誘電体を周辺部から加熱するだけでは、熱が誘電体の全面に均一に伝熱され難いため、誘電体の温度の均一性が損なわれる場合がある。
本発明の一側面に係るプラズマ処理装置は、処理空間を画成する処理容器と、マイクロ波発生器と、前記処理空間に対向する対向面を有する誘電体とを備える。また、プラズマ処理装置は、前記誘電体の前記対向面の反対側の面上に設けられ、前記マイクロ波発生器によって発生されるマイクロ波に基づいて、前記誘電体を介してプラズマ励起用のマイクロ波を前記処理空間へ放射する、複数のスロットが形成されたスロット板を備える。また、プラズマ処理装置は、前記スロット板の内部に設けられた発熱部材を備える。
本発明の種々の側面及び実施形態によれば、誘電体の温度の均一性を保つことができるプラズマ処理装置及びプラズマ処理方法が実現される。
図１は、一実施形態に係るプラズマ処理装置の概略を示す図である。 図２は、一実施形態に係るスロット板を軸線Ｘ方向から見た平面図である。 図３は、一実施形態に係るスロット板の縦断面の概略を示す図である。 図４は、一実施形態に係るスロット板の平面断面図である。 図５は、一実施形態に係るインジェクタ及び誘電体窓の貫通孔を拡大して示す断面図である。 図６は、一実施形態に係るプラズマ処理方法のフローチャートである。 図７は、一実施形態に係るプラズマ処理装置が備える制御部を示す図である。 図８Ａは、一実施形態に係るプラズマ処理方法による効果を説明するための図である。 図８Ｂは、一実施形態に係るプラズマ処理方法による効果を説明するための図である。 図８Ｃは、一実施形態に係るプラズマ処理方法による効果を説明するための図である。 図９は、一実施形態に係るスロット板の変形例の平面断面図である。 図１０は、一実施形態に係るプラズマ処理装置の変形例の概略を示す図である。
以下、図面を参照して種々の実施形態について詳細に説明する。なお、各図面において同一又は相当の部分に対しては同一の符号を附すこととする。
図１は、一実施形態に係るプラズマ処理装置の概略を示す図である。図１に示すプラズマ処理装置１０は、処理容器１２、ステージ１４、マイクロ波発生器１６、アンテナ１８、及び誘電体窓２０を備えている。
処理容器１２は、プラズマ処理を行うための処理空間Ｓを画成している。処理容器１２は、側壁１２ａ、及び、底部１２ｂを有する。側壁１２ａは、略筒形状に形成されている。以下、側壁１２ａの筒形状の中心において筒形状の延在する軸線Ｘを仮想的に設定し、軸線Ｘの延在方向を軸線Ｘ方向という。底部１２ｂは、側壁１２ａの下端側に設けられ、側壁１２ａの底側開口を覆う。底部１２ｂには、排気用の排気孔１２ｈが設けられている。側壁１２ａの上端部は開口している。
側壁１２ａの上端部開口は、誘電体窓２０によって閉じられている。誘電体窓２０と側壁１２ａの上端部との間にはＯリング２１が介在している。誘電体窓２０は、Ｏリング２１を介して側壁１２ａの上端部に設けられる。Ｏリング２１により、処理容器１２の密閉がより確実なものとなる。ステージ１４は、処理空間Ｓ内に収容され、被処理基板Ｗが載置される。誘電体窓２０は、処理空間Ｓに対向する対向面２０ａを有する。
マイクロ波発生器１６は、例えば、２．４５ＧＨｚのマイクロ波を発生する。一実施形態においては、プラズマ処理装置１０は、チューナ２２、導波管２４、モード変換器２６、及び同軸導波管２８を更に備えている。
マイクロ波発生器１６は、チューナ２２を介して導波管２４に接続されている。導波管２４は、例えば、矩形導波管である。導波管２４は、モード変換器２６に接続されており、モード変換器２６は、同軸導波管２８の上端に接続されている。
同軸導波管２８は、軸線Ｘに沿って延びている。この同軸導波管２８は、外側導体２８ａ及び内側導体２８ｂを含んでいる。外側導体２８ａは、軸線Ｘ方向に延びる略円筒形状を有している。内側導体２８ｂは、外側導体２８ａの内部に設けられている。この内側導体２８ｂは、軸線Ｘに沿って延びる略円筒形状を有している。
マイクロ波発生器１６によって発生されたマイクロ波は、チューナ２２及び導波管２４を介してモード変換器２６に導波される。モード変換器２６は、マイクロ波のモードを変換して、モード変換後のマイクロ波を同軸導波管２８に供給する。同軸導波管２８からのマイクロ波は、アンテナ１８に供給される。
アンテナ１８は、マイクロ波発生器１６によって発生されるマイクロ波に基づいて、プラズマ励起用のマイクロ波を放射する。アンテナ１８は、スロット板３０、誘電体板３２、及び冷却ジャケット３４を有する。アンテナ１８は、誘電体窓２０の対向面２０ａの反対側の面２０ｂ上に設けられ、マイクロ波発生器１６によって発生されるマイクロ波に基づいて、誘電体窓２０を介してプラズマ励起用のマイクロ波を処理空間Ｓへ放射する。
スロット板３０は、軸線Ｘに板面が直交する略円板状に形成される。スロット板３０は、誘電体窓２０の対向面２０ａの反対側の面２０ｂ上に、誘電体窓２０と互いに板面を合わせて配置される。スロット板３０には、軸線Ｘを中心にして周方向に複数のスロット３０ａが配列される。図２は、一実施形態に係るスロット板を軸線Ｘ方向から見た平面図である。一実施形態においては、図２に示すように、スロット板３０は、ラジアルラインスロットアンテナを構成するスロット板である。スロット板３０は、導電性を有する金属製の円板状に形成される。スロット板３０には、複数のスロット３０ａが形成される。各スロット３０ａは、互いに交差又は直交する方向に延びる長孔であるスロット３０ｂとスロット３０ｃを含んでいる。複数のスロット３０ａは、径方向に所定の間隔で配置されており、また、周方向に所定の間隔で配置されている。
言い換えれば、複数のスロット３０ａは、スロット板３０の円周方向に沿って複数配置されて形成された第１のスロット群３０ａ−１と、第１のスロット群３０ａ−１よりスロット板３０の径方向の外側において、スロット板３０の円周方向に沿って複数配置されて形成された第２のスロット群３０ａ−２とを有する。また、スロット板３０の中央部には、後述する導管３６が貫通可能な貫通孔３０ｄが形成される。
図１を再び参照する。図１に示すように、スロット板３０の内部には複数のヒータ３１が設けられている。ここで、スロット板３０及びヒータ３１等の詳細な構成について説明する。図３は、一実施形態に係るスロット板の縦断面の概略を示す図である。図４は、一実施形態に係るスロット板の平面断面図である。
図３に示すように、スロット板３０は、底面が開口しており矩形の箱状に形成された上部スロット板３０−１と、上部スロット板３０−１の底面開口を塞ぐ下部スロット板３０−２とを有する。
また、上部スロット板３０−１及び下部スロット板３０−２によって形成される空間３１ａの内部には、絶縁材料を筒状に形成したラバーシート３３が収容される。また、ラバーシート３３の筒内空間３１ｂには、ヒータ３１が収容される。すなわち、ヒータ３１は、ラバーシート３３によって覆われており、ラバーシート３３によって上部スロット板３０−１及び下部スロット板３０−２に対して絶縁されている。ヒータ３１は、例えばチタンを含んで形成され、電流を流すことによってジュール熱により発熱する発熱部材である。
また、図４に示すように、ヒータ３１は、スロット板３０の中央領域に渦巻状に配置されたセンターヒータ３１−１と、スロット板３０の中央領域と外周領域との間の中間領域に渦巻き状に配置されたミドルヒータ３１−２と、スロット板３０の外周領域に渦巻き状に配置されたエッジヒータ３１−３とを有する。センターヒータ３１−１、ミドルヒータ３１−２、及びエッジヒータ３１−３は、電源３１−４から供給される電流を流すことによってジュール熱により発熱する。
センターヒータ３１−１は、スロット板３０の外周からスロット３０ａを避けてスロット板３０の中央領域まで引き入れられ、スロット板３０の中央領域で渦巻き状に引き回され、再びスロット３０ａを避けてスロット板３０の外周へ引き出される。また、ミドルヒータ３１−２は、スロット板３０の外周からスロット３０ａを避けてスロット板３０の中央領域と外周領域との間の中間領域まで引き入れられ、スロット板３０の中間領域で渦巻き状に引き回され、再びスロット３０ａを避けてスロット板３０の外周へ引き出される。また、エッジヒータ３１−３は、スロット板３０の外周からスロット板３０の外周領域まで引き入れられ、スロット板３０の外周領域で渦巻き状に引き回され、再びスロット板３０の外周へ引き出される。
本実施形態のようにスロット板３０内部にセンターヒータ３１−１、ミドルヒータ３１−２、及びエッジヒータ３１−３を設けることにより、誘電体窓２０の直近から誘電体窓２０を広い範囲で加熱することができる。その結果、本実施形態によれば、誘電体窓２０の温度の均一性を保つことができるので、被処理基板Ｗの被処理面全面に対し、均一なプラズマ処理を行うことができる。
図１を再び参照する。誘電体板３２は、板面が軸線Ｘに直交する略円板状に形成される。誘電体板３２は、スロット板３０と冷却ジャケット３４の下側表面との間に設けられている。誘電体板３２は、例えば石英製であり、略円板形状を有している。冷却ジャケット３４の表面は、導電性を有する。冷却ジャケット３４は、内部に冷媒が通流可能な流路３４ａが形成されており、冷媒の通流により誘電体板３２及びスロット板３０を冷却する。冷却ジャケット３４の上部表面には、外側導体２８ａの下端が電気的に接続されている。また、内側導体２８ｂの下端は、冷却ジャケット３４及び誘電体板３２の中央部分に形成された孔を通って、スロット板３０に電気的に接続されている。
同軸導波管２８からのマイクロ波は、誘電体板３２に伝播され、スロット板３０のスロット３０ａから誘電体窓２０を介して、処理空間Ｓ内に導入される。誘電体窓２０は、略円板形状を有しており、例えば石英によって構成される。この誘電体窓２０は、処理空間Ｓとアンテナ１８との間に設けられており、一実施形態においては、軸線Ｘ方向においてアンテナ１８の直下に設けられている。
一実施形態においては、同軸導波管２８の内側導体２８ｂの内孔には、導管３６が通っている。スロット板３０の中央部には、導管３６が貫通可能な貫通孔３０ｄが形成されている。導管３６は、軸線Ｘに沿って延在しており、ガス供給系３８、ガス供給系３９、及び、ガス供給系４０に接続される。
ガス供給系３８は、導管３６に被処理基板Ｗを処理するための処理ガスを供給する。ガス供給系３８によって供給される処理ガスは、炭素を含む。この処理ガスは、一実施形態では、エッチングガスであり、例えば、ＣＦ４ガス、又は、ＣＨ２Ｆ２ガスである。ガス供給系３８は、ガス源３８ａ、弁３８ｂ、及び流量制御器３８ｃを含み得る。ガス源３８ａは、処理ガスのガス源である。弁３８ｂは、ガス源３８ａからの処理ガスの供給及び供給停止を切り替える。流量制御器３８ｃは、例えば、マスフローコントローラであり、ガス源３８ａからの処理ガスの流量を調整する。
ガス供給系３９は、酸素ガス（Ｏ２ガス）を導管３６に供給する。ガス供給系３９から供給される酸素ガスはクリーニングガスを構成する。ガス供給系３９は、ガス源３９ａ、弁３９ｂ、及び流量制御器３９ｃを含み得る。ガス源３９ａは、酸素ガスのガス源である。弁３９ｂは、ガス源３９ａからのガスの供給及び供給停止を切り替える。流量制御器３９ｃは、例えば、マスフローコントローラであり、ガス源３９ａからのガスの流量を調整する。
ガス供給系４０は、アルゴンガスを導管３６に供給する。一実施形態においては、ガス供給系３９からのクリーニングガスに加えて、ガス供給系４０からアルゴンガスが供給される。ガス供給系４０は、ガス源４０ａ、弁４０ｂ、及び流量制御器４０ｃを含み得る。ガス源４０ａは、アルゴンガスのガス源である。弁４０ｂは、ガス源４０ａからのアルゴンガスの供給及び供給停止を切り替える。流量制御器４０ｃは、例えば、マスフローコントローラであり、ガス源４０ａからのアルゴンガスの流量を調整する。
一実施形態においては、プラズマ処理装置１０は、更に、インジェクタ４１を更に備え得る。インジェクタ４１は、導管３６からのガスを誘電体窓２０に形成された貫通孔２０ｈに供給する。誘電体窓２０の貫通孔２０ｈに供給されたガスは、処理空間Ｓに供給される。以下の説明では、導管３６、インジェクタ４１、及び、貫通孔２０ｈによって構成されるガス供給経路を、「中央ガス導入部」ということがある。
一実施形態においては、プラズマ処理装置１０は、ガス供給部４２を更に備え得る。ガス供給部４２は、ステージ１４と誘電体窓２０との間において、軸線Ｘの周囲からガスを処理空間Ｓに供給する。以下の説明では、ガス供給部４２のことを、「周辺ガス導入部」ということがある。ガス供給部４２は、導管４２ａを含む。導管４２ａは、誘電体窓２０とステージ１４との間において軸線Ｘを中心に環状に延在している。導管４２ａには、複数のガス供給孔４２ｂが形成されている。複数のガス供給孔４２ｂは、環状に配列され、軸線Ｘに向けて開口しており、導管４２ａに供給されたガスを、軸線Ｘに向けて供給する。このガス供給部４２は、導管４６を介して、ガス供給系４３、ガス供給系４４、及びガス供給系４５に接続されている。
ガス供給系４３は、ガス供給部４２に被処理基板Ｗを処理するための処理ガスを供給する。ガス供給系４３から供給される処理ガスは、ガス供給系３８の処理ガスと同様に、炭素を含む。この処理ガスは、一実施形態では、エッチングガスであり、例えば、ＣＦ４ガス、又は、ＣＨ２Ｆ２ガスである。ガス供給系４３は、ガス源４３ａ、弁４３ｂ、及び流量制御器４３ｃを含み得る。ガス源４３ａは、処理ガスのガス源である。弁４３ｂは、ガス源４３ａからの処理ガスの供給及び供給停止を切り替える。流量制御器４３ｃは、例えば、マスフローコントローラであり、ガス源４３ａからの処理ガスの流量を調整する。
ガス供給系４４は、酸素ガス（Ｏ２ガス）をガス供給部４２に供給する。ガス供給系４４から供給されるガスはクリーニングガスを構成する。ガス供給系４４は、ガス源４４ａ、弁４４ｂ、及び流量制御器４４ｃを含み得る。ガス源４４ａは、酸素ガスのガス源である。弁４４ｂは、ガス源４４ａからのガスの供給及び供給停止を切り替える。流量制御器４４ｃは、例えば、マスフローコントローラであり、ガス源４４ａからのガスの流量を調整する。
ガス供給系４５は、アルゴンガスをガス供給部４２に供給する。一実施形態においては、ガス供給系４４からのクリーニングガスに加えて、ガス供給系４５からアルゴンガスが供給される。ガス供給系４５は、ガス源４５ａ、弁４５ｂ、及び流量制御器４５ｃを含み得る。ガス源４５ａは、アルゴンガスのガス源である。弁４５ｂは、ガス源４５ａからのアルゴンガスの供給及び供給停止を切り替える。流量制御器４５ｃは、例えば、マスフローコントローラであり、ガス源４５ａからのアルゴンガスの流量を調整する。
ステージ１４は、軸線Ｘ方向において誘電体窓２０と対面するように設けられている。このステージ１４は、誘電体窓２０と当該ステージ１４との間に処理空間Ｓを挟むように設けられている。ステージ１４上には、被処理基板Ｗが載置される。一実施形態においては、ステージ１４は、台１４ａ、フォーカスリング１４ｂ、及び、静電チャック１４ｃを含む。
台１４ａは、筒状支持部４８によって支持されている。筒状支持部４８は、絶縁性の材料で構成されており、底部１２ｂから垂直上方に延びている。また、筒状支持部４８の外周には、導電性の筒状支持部５０が設けられている。筒状支持部５０は、筒状支持部４８の外周に沿って処理容器１２の底部１２ｂから垂直上方に延びている。この筒状支持部５０と側壁１２ａとの間には、環状の排気路５１が形成されている。
排気路５１の上部には、複数の貫通孔が設けられた環状のバッフル板５２が取り付けられている。排気孔１２ｈの下部には排気管５４を介して排気装置５６が接続されている。排気装置５６は、ターボ分子ポンプなどの真空ポンプを有している。排気装置５６により、処理容器１２内の処理空間Ｓを所望の真空度まで減圧することができる。
台１４ａは、高周波電極を兼ねている。台１４ａには、給電棒６２及びマッチングユニット６０を介して、ＲＦバイアス用の高周波電源５８が電気的に接続されている。高周波電源５８は、被処理基板Ｗに引き込むイオンのエネルギーを制御するのに適した一定の周波数、例えば、１３．６５ＭＨｚの高周波電力を所定のパワーで出力する。マッチングユニット６０は、高周波電源５８側のインピーダンスと、主に電極、プラズマ、処理容器１２といった負荷側のインピーダンスとの間で整合をとるための整合器を収容している。この整合器の中に自己バイアス生成用のブロッキングコンデンサが含まれている。
台１４ａの上面には、静電チャック１４ｃが設けられている。静電チャック１４ｃは、被処理基板Ｗを静電吸着力で保持する。静電チャック１４ｃの径方向外側には、被処理基板Ｗの周囲を環状に囲むフォーカスリング１４ｂが設けられている。静電チャック１４ｃは、電極１４ｄ、絶縁膜１４ｅ、及び、絶縁膜１４ｆを含んでいる。電極１４ｄは、導電膜によって構成されており、絶縁膜１４ｅと絶縁膜１４ｆの間に設けられている。電極１４ｄには、高圧の直流電源６４がスイッチ６６および被覆線６８を介して電気的に接続されている。静電チャック１４ｃは、直流電源６４より印加される直流電圧により発生するクーロン力によって、被処理基板Ｗを吸着保持することができる。
台１４ａの内部には、周方向に延びる環状の冷媒室１４ｇが設けられている。この冷媒室１４ｇには、チラーユニット（図示せず）より配管７０，７２を介して所定の温度の冷媒、例えば、冷却水が循環供給される。冷媒の温度によって静電チャック１４ｃの上面温度が制御される。伝熱ガス、例えば、Ｈｅガスがガス供給管７４を介して静電チャック１４ｃの上面と被処理基板Ｗの裏面との間に供給されており、この静電チャック１４ｃの上面温度により被処理基板Ｗの温度が制御される。
以下、図５を参照して、インジェクタ４１及び誘電体窓２０の貫通孔２０ｈについてより詳細に説明する。図５は、一実施形態に係るインジェクタ及び誘電体窓の貫通孔を拡大して示す断面図である。
図５に示すように、誘電体窓２０は、軸線Ｘに沿って上方から順に収容空間２０ｓ、貫通孔２０ｈを画成している。貫通孔２０ｈは、収容空間２０ｓと処理空間Ｓとを連通させている。この貫通孔２０ｈは、アンテナ１８側の開口と処理空間Ｓ側の開口との間の一部における面積が、当該一部とアンテナ１８側の開口との間の当該貫通孔２０ｈの他の一部における面積より小さくなるように、構成されている。ここで、「面積」とは、軸線Ｘに直交する面での貫通孔２０ｈの面積である。一例においては、図５に示すように、貫通孔２０ｈは、軸線Ｘに沿って下方に向かうにつれてその直径が小さくなるテーパー形状を有している。
収容空間２０ｓには、インジェクタ４１、及び、導管３６の一端部３６ｂが収容されている。導管３６は、導電性を有する金属により構成され得る。導管３６は、本体部３６ａ及び一端部３６ｂを含んでいる。本体部３６ａは、軸線Ｘに沿って延在する筒形状を有している。一端部３６ｂは、略円板形状を有しており、本体部３６ａより大きな外径を有している。導管３６には、本体部３６ａ及び一端部３６ｂにわたって貫通するガス供給用の内孔が設けられている。この導管３６の本体部３６ａは、内側導体２８ｂの内孔を通っている。
内側導体２８ｂは、上述したように、スロット板３０に接続されている。一実施形態においては、スロット板３０には、軸線Ｘに沿ってスロット板３０の中央部に貫通孔３０ｄが形成されている。当該貫通孔３０ｄを画成するスロット板３０の内側縁部は、内側導体２８ｂの下端と金属製の部材８０とにより、狭持されている。この部材８０は、内側導体２８ｂの下端にねじ８２によって固定されている。また、スロット板３０の下面には、導管３６の一端部３６ｂの上面が接触している。このように、内側導体２８ｂ、スロット板３０、及び導管３６は、電気的に接続されている。
インジェクタ４１は、収容空間２０ｓ内において、導管３６の一端部３６ｂの下方に収容されている。インジェクタ４１は、導電性を有しており、略円板形状を有している。インジェクタ４１は、例えば、アルミニウム又はステンレス製である。
インジェクタ４１は、一端部３６ｂ側の第１の面４１ａと貫通孔２０ｈ側の第２の面４１ｂとを含んでいる。インジェクタ４１には、第１の面４１ａから第２の面４１ｂまで延在する複数の貫通孔４１ｈが形成されている。一実施形態においては、第２の面４１ｂには、Ｙ２Ｏ３の膜が形成されていてもよい。この膜は、Ｙ２Ｏ３を第２の面４１ｂにコーティングした後に、コーティングされた膜を電子ビームにより溶融させることによって形成されてもよい。
インジェクタ４１は、ねじ８４により導管３６の一端部３６ｂに対して固定されており、当該一端部３６ｂに電気的に接続している。したがって、インジェクタ４１は、内側導体２８ｂ、スロット板３０、及び導管３６と同電位に設定され得る。インジェクタ４１は、例えば、接地電位に設定され得る。
一実施形態においては、インジェクタ４１の第２の面４１ｂと誘電体窓２０との間にはＯリング８６が設けられる。Ｏリング８６は、複数の貫通孔４１ｈの貫通孔２０ｈ側の開口を囲むように環状に延在している。このＯリング８６により、インジェクタ４１と誘電体窓２０との間における気密が確保される。更に、インジェクタ４１の第１の面４１ａと導管３６の一端部３６ｂとの間にはＯリング８８が設けられる。Ｏリング８８は、複数の貫通孔４１ｈの一端部３６ｂ側の開口を囲むように環状に延在している。これにより、インジェクタ４１と導管３６の一端部３６ｂとの間の気密が確保される。
このように構成されたプラズマ処理装置１０では、導管３６及びインジェクタ４１の貫通孔４１ｈを介して、誘電体窓２０の貫通孔２０ｈから処理空間Ｓ内に軸線Ｘに沿ってガスが供給される。また、貫通孔２０ｈよりも下方において、ガス供給部４２から軸線Ｘに向けてガスが供給される。さらに、アンテナ１８から誘電体窓２０を介して処理空間Ｓ及び／又は貫通孔２０ｈ内にマイクロ波が導入される。これにより、処理空間Ｓ及び／又は貫通孔２０ｈにおいてプラズマが発生する。このように、プラズマ処理装置１０によれば、磁場を加えずに、プラズマを発生させることができる。
次に、図１のプラズマ処理装置１０を用いたプラズマ処理方法について説明する。図６は、一実施形態に係るプラズマ処理方法のフローチャートである。図６に示すように、一実施形態に係るプラズマ処理方法は、まず、マイクロ波発生器１６によって発生したマイクロ波をアンテナ１８及び誘電体窓２０を介して処理空間Ｓへ放射する処理を行う前に、ヒータ３１による加熱処理を実行する（ステップＳ１０１）。
続いて、プラズマ処理方法は、ステップＳ１０１の加熱処理を予め設定された時間が経過するか、又はプラズマ処理装置１０の誘電体窓２０等の部材の温度が予め設定された温度になったら、プラズマ励起用のマイクロ波を処理空間Ｓへ放射するプラズマ処理を実行する（ステップＳ１０２）。続いて、プラズマ処理方法は、ステップＳ１０２のプラズマ処理を実行し始めたら、ヒータ３１による加熱処理を停止する（ステップＳ１０３）。
なお、一実施形態では、プラズマ励起用のマイクロ波を処理空間Ｓへ放射するプラズマ処理を実行し始めたら、ヒータ３１による加熱処理を停止する例を示したが、これには限られない。例えば、ステップＳ１０１の加熱処理を予め設定された時間が経過するか、又はプラズマ処理装置１０の誘電体窓２０等の部材の温度が予め設定された温度になったら、ヒータ３１による加熱処理を停止し、この後、プラズマ励起用のマイクロ波を処理空間Ｓへ放射するプラズマ処理を実行することもできる。
また、一実施形態において、プラズマ処理装置１０は、上述のプラズマ処理方法を含むプラズマ処理装置１０の各種動作を制御する制御部を更に備える。図７は、一実施形態に係るプラズマ処理装置が備える制御部を示す図である。プラズマ処理装置１０は、図７に示す制御部９０を更に備える。
制御部９０は、例えば、中央処理装置（ＣＰＵ）及びメモリといった記憶装置を備えるコンピュータであってもよい。制御部９０は、記憶装置に記憶されたプログラムに従って種々の制御信号を出力することができる。制御部９０から出力される種々の制御信号は、マイクロ波発生器１６、ヒータ３１に電流を流す電源３１−４、排気装置５６、弁３８ｂ、流量制御器３８ｃ、弁４３ｂ、流量制御器４３ｃ、弁３９ｂ、流量制御器３９ｃ、弁４０ｂ、流量制御器４０ｃ、弁４４ｂ、流量制御器４４ｃ、弁４５ｂ、及び、流量制御器４５ｃに入力される。例えば、ヒータ３１用の電源３１−４は、制御部９０から出力された制御信号に基づいて、ヒータ３１による加熱処理の実行及び停止を制御する。
次に、一実施形態に係るプラズマ処理方法による効果について説明する。図８Ａ，図８Ｂ，図８Ｃは、一実施形態に係るプラズマ処理方法による効果を説明するための図である。図８Ａ，図８Ｂ，図８Ｃは、プラズマ処理装置１０によって被処理基板Ｗに対してプラズマエッチング処理を行った場合における、一実施形態に係るプラズマ処理方法の効果を示す図である。
図８Ａ，図８Ｂ，図８Ｃにおいて、横軸は、プラズマ処理装置１０へ投入した被処理基板Ｗの１ロット内の処理順番を示した番号（スロット番号）を示し、縦軸は、エッチングレート（ｎｍ／分）と、誘電体窓２０の時間平均温度（℃）を示している。また、図８Ａは、一実施形態に係るプラズマ処理方法を用いずに、被処理基板Ｗに対してプラズマエッチング処理を実行した場合の、誘電体窓２０の温度とエッチングレートとの関係を示すグラフである。一方、図８Ｂ，図８Ｃは、一実施形態に係るプラズマ処理方法を用いて被処理基板Ｗに対してプラズマエッチング処理を実行した場合の、誘電体窓２０の温度とエッチングレートとの関係を示すグラフである。
まず、図８Ａに示すように、一実施形態に係るプラズマ処理方法を用いなかった場合、グラフ１０４に示すように、スロット番号「１」の被処理基板Ｗを処理する際には、他のスロット番号の被処理基板Ｗを処理する場合と比べて、誘電体窓２０の温度が低くなった。また、グラフ１０２に示すように、スロット番号「１」の被処理基板Ｗに対するエッチングレートは、他のスロット番号の被処理基板Ｗのエッチングレートと比べて、低くなった。これは、Ｆｉｒｓｔ ｗａｆｅｒ ｅｆｆｅｃｔと呼ばれ、スロット番号「１」の被処理基板Ｗを処理する際に誘電体窓２０（及び処理空間Ｓ）の温度が低いことに起因して、スロット番号「１」の被処理基板Ｗのエッチングレートが低くなる現象である。
これに対して、一実施形態に係るプラズマ処理方法を用いた場合、プラズマエッチング処理が行われる前に、ヒータ３１によって加熱処理を行う。その結果、図８Ｂのグラフ１０８に示すように、スロット番号「１」の被処理基板Ｗを処理する際には、他のスロット番号の被処理基板Ｗを処理する場合と比べて、誘電体窓２０の温度が同等又は多少高くなった。このように、一実施形態に係るプラズマ処理方法によれば、スロット番号「１」の被処理基板Ｗを処理する際の誘電体窓２０（及び処理空間Ｓ）の温度を高く保つことができ、かつ、誘電体窓２０の温度の均一性を保つことができる。その結果、被処理基板Ｗの被処理面全面に対して均一なプラズマ処理を行うことができるとともに、グラフ１０６に示すように、スロット番号「１」の被処理基板Ｗに対するエッチングレートを、他のスロット番号の被処理基板Ｗのエッチングレートと比べて、同等に保つことができた。
また、図８Ｃは、図８Ｂの場合よりも、ヒータ３１による加熱処理を長時間行った場合の、誘電体窓２０の温度とエッチングレートとの関係を示すグラフである。図８Ｃのグラフ１１２に示すように、スロット番号「１」の被処理基板Ｗを処理する際には、他のスロット番号の被処理基板Ｗを処理する場合と比べて、誘電体窓２０の温度が大幅に高くなった。このように、一実施形態に係るプラズマ処理方法によれば、スロット番号「１」の被処理基板Ｗを処理する際の誘電体窓２０（及び処理空間Ｓ）の温度を高く保つことができ、かつ、誘電体窓２０の温度の均一性を保つことができる。その結果、被処理基板Ｗの被処理面全面に対して均一なプラズマ処理を行うことができるとともに、グラフ１１０に示すように、スロット番号「１」の被処理基板Ｗに対するエッチングレートを、他のスロット番号の被処理基板Ｗのエッチングレートと比べて、同等に保つことができた。
なお、上述の説明では、スロット板３０の内部の全面にわたってヒータ３１を配置する実施形態を一例として示したが、これには限られない。以下、スロット板の変形例について説明する。図９は、一実施形態に係るスロット板の変形例の平面断面図である。
図９に示すように、変形例に係るスロット板３００は、スロット板３００の中央領域に渦巻状に配置されたセンターヒータ３１０−１と、スロット板３００の中央領域と外周領域との間の中間領域に渦巻き状に配置されたミドルヒータ３１０−２とを有する。また、変形例に係るスロット板３００は、スロット板３００の外周領域にはヒータが設けられない。このように、変形例に係るスロット板３００は、スロット板３００の内部の全面にわたってヒータを配置するのではなく、スロット板３００の中央領域と中間領域にのみヒータ３１０が配置される。
変形例のスロット板３００によれば、センターヒータ３１０−１、及びミドルヒータ３１０−２により、誘電体窓２０の直近から誘電体窓２０を広い範囲で加熱することができるので、誘電体窓２０の温度の均一性を保つことができる。さらに、誘電体窓２０はその中央領域と中間領域の温度が上がりにくいため、このようなヒータ３１０を配置することで効率よく誘電体窓２０の温度の制御ができる。その結果、被処理基板Ｗの被処理面全面に対して均一なプラズマ処理を行うことができるとともに、図８Ｂ，図８Ｃで説明したのと同様に、スロット番号「１」の被処理基板Ｗに対するエッチングレートを、他のスロット番号の被処理基板Ｗのエッチングレートと比べて、同等に保つことができる。なお、ススロット板は、図４及び図９のようなヒータ配置に関わらず、内部に任意にヒータ３１を配置することができる。
次に、一実施形態に係るプラズマ処理装置の変形例について説明する。図１０は、一実施形態に係るプラズマ処理装置の変形例の概略を示す図である。変形例に係るプラズマ処理装置１００は、図１で説明したプラズマ処理装置１０と同様の構成を有しており、さらに、処理容器１２の側壁１２ａに抜熱部材１３が設けられる点、及び導波管２４に抜熱部材が設けられた点が図１で説明したプラズマ処理装置１０と異なる。したがって、図１で説明したプラズマ処理装置１０と同様の構成については、説明を省略する。
図１０に示すように、変形例のプラズマ処理装置１００において、処理容器１２の側壁１２ａには、抜熱部材１３が設けられる。より具体的には、抜熱部材１３は、側壁１２ａの筒状の延在方向の一部分において側壁１２ａの外周側に周方向に沿って形成された凹部に、環状に埋め込まれている。言い換えれば、側壁１２ａは、筒状の延在方向の一部分においては、壁の肉厚が他の部分に比べて薄くなっている。また、抜熱部材１３は、例えばベリリウムカッパーやタングステンなど熱伝導率が低い材料によって形成される。
したがって、側壁１２ａは、筒状の延在方向の一部分においては、熱抵抗が他の部分に比べて大きくなっている。よって、変形例にプラズマ処理装置１００によれば、ヒータ３１の加熱等によって誘電体窓２０に加えられた熱が、側壁１２ａを介して処理容器１２に伝熱されるのを抑制することができるので、より誘電体窓２０の熱の均一性を保つことができる。
また、図１０に示すように、変形例のプラズマ処理装置１００において、導波管２４には、抜熱部材として環状のＯリング２５が設けられている。より具体的には、導波管２４は、筒状の第１の導波管２４−１と、第１の導波管２４−１の筒状の延在方向に並べて配置され、第１の導波管２４−１と同様の径の筒状の第２の導波管２４−２とを有する。第１の導波管２４−１は、第２の導波管２４−２に対向する部分に、フランジ２４−１ａが形成されている。また、第２の導波管２４−２は、第１の導波管２４−１に対向する部分に、フランジ２４−２ａが形成されている。
フランジ２４−１ａとフランジ２４−２ａの対向面にはＯリング２５が設けられるとともに、フランジ２４−１ａとフランジ２４−２ａは周方向に沿って複数のボルト２７で締結されている。言い換えると、フランジ２４−１ａとフランジ２４−２ａは、Ｏリング２５を介して密接している。これにより、マイクロ波発生器１６によって発生されたマイクロ波は、チューナ２２、第１の導波管２４−１、及び第２の導波管２４−２を介してモード変換器２６に導波される。
また、導波管２４は、第１の導波管２４−１及び第２の導波管２４−２の接合部において、熱抵抗が大きくなっている。よって、変形例にプラズマ処理装置１００によれば、ヒータ３１の加熱等によって誘電体窓２０に加えられた熱が、内側導体２８ｂ、モード変換器２６、及び導波管２４等を介してチューナ２２及びマイクロ波発生器１６に伝熱されるのを抑制することができるので、より誘電体窓２０の熱の均一性を保つことができる。
以上、本実施形態のプラズマ処理装置によれば、スロット板３０の内部にヒータ３１を設けているので、誘電体窓２０の直近から誘電体窓２０を加熱することができる。その結果、本実施形態によれば、誘電体窓２０の温度の均一性を保つことができるので、被処理基板Ｗの被処理面全面に対し、均一なプラズマ処理を行うことができる。
また、本実施形態のプラズマ処理方法は、被処理基板Ｗに対してプラズマ処理を実行する前に、ヒータ３１による加熱処理を実行する。そして、本実施形態のプラズマ処理方法は、加熱処理を予め設定された時間が経過するか、又はプラズマ処理装置の誘電体窓２０等の部材の温度が予め設定された温度になったら、プラズマ処理を実行し、プラズマ処理を実行し始めたら、ヒータ３１による加熱処理を停止する。したがって、本実施形態のプラズマ処理方法によれば、プラズマ処理を開始した最初のスロットの被処理基板Ｗなど初期の被処理基板Ｗのエッチングレートが低くなる現象（Ｆｉｒｓｔ ｗａｆｅｒ ｅｆｆｅｃｔ）を抑制することができる。
すなわち、Ｆｉｒｓｔ ｗａｆｅｒ ｅｆｆｅｃｔは、例えば前回のプラズマ処理を実行した後、ある程度時間が経過した後に再びプラズマ処理を実行する際に、誘電体窓２０等の温度が低くなったことに起因して発生する。これに対して、本実施形態のプラズマ処理方法によれば、プラズマ処理が行われる前に、ヒータ３１によって加熱処理を行うので、初期スロットの被処理基板Ｗを処理する際には、後続の他のスロットの被処理基板Ｗを処理する場合と比べて、誘電体窓２０の温度を同等又は高くすることができる。したがって、本実施形態に係るプラズマ処理方法によれば、初期スロットの被処理基板Ｗを処理する際の誘電体窓２０等の温度を高く保つことができ、かつ、誘電体窓２０の温度の均一性を保つことができる。その結果、被処理基板Ｗの被処理面全面に対して均一なプラズマ処理を行うことができる。また、初期スロットの被処理基板Ｗに対するエッチングレートを、後続の他のスロットの被処理基板Ｗのエッチングレートと比べて、同等に保つことができる。
１０，１００ プラズマ処理装置
１２ 処理容器
１３ 抜熱部材
１４ ステージ
１６ マイクロ波発生器
１８ アンテナ
２０ 誘電体窓
３０，３００ スロット板
３０ａ スロット
３１，３１０ ヒータ
３１−１，３１０−１ センターヒータ
３１−２，３１０−２ ミドルヒータ
３１−３ エッジヒータ
３２ 誘電体板
３３ ラバーシート

Claims (7)

  1. 処理空間を画成する処理容器と、
    マイクロ波発生器と、
    前記処理空間に対向する対向面を有する誘電体と、
    前記誘電体の前記対向面の反対側の面上に設けられ、前記マイクロ波発生器によって発生されるマイクロ波に基づいて、前記誘電体を介してプラズマ励起用のマイクロ波を前記処理空間へ放射する、複数のスロットが形成されたスロット板と、
    前記スロット板の内部に設けられた発熱部材と、
    を備えることを特徴とするプラズマ処理装置。
  2. 前記発熱部材は、前記スロット板の内部に、絶縁材料を介して設けられる
    ことを特徴とする請求項１に記載のプラズマ処理装置。
  3. 前記スロット板は、円板状に形成され、
    前記複数のスロットは、互いに交差する方向に延在する２つの長孔の対が、前記スロット板の円周方向に沿って複数配置されて形成された第１のスロット群と、該第１のスロット群より前記スロット板の径方向の外側において、互いに交差する方向に延在する２つの長孔の対が、前記スロット板の円周方向に沿って複数配置されて形成された第２のスロット群とを有し、
    前記発熱部材は、前記スロット板の前記第１のスロット群より径方向内側の中央領域において、渦巻き状に巻き回された第１のヒータ、前記スロット板の前記第１のスロット群より径方向外側かつ前記第２のスロット群より径方向内側の中間領域において、渦巻き状に巻き回された第２のヒータ、又は前記スロット板の前記第２のスロット群より径方向外側の外周領域において、渦巻き状に巻き回された第３のヒータを有する
    ことを特徴とする請求項１又は２に記載のプラズマ処理装置。
  4. 前記処理容器の側壁には、抜熱部材が設けられる
    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。
  5. 前記マイクロ波発生器によって発生されるマイクロ波を前記スロット板へ導波する導波管を備え、
    前記導波管には、抜熱部材が設けられる
    ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のプラズマ処理装置。
  6. 前記抜熱部材は、ベリリウムカッパー又はタングステンである
    ことを特徴とする請求項４又は５に記載のプラズマ処理装置。
  7. 処理空間を画成する処理容器と、
    マイクロ波発生器と、
    前記処理空間に対向する対向面を有する誘電体と、
    前記誘電体の前記対向面の反対側の面上に設けられ、前記マイクロ波発生器によって発生されるマイクロ波に基づいて、前記誘電体を介してプラズマ励起用のマイクロ波を前記処理空間へ放射する、複数のスロットが形成されたスロット板と、
    前記スロット板の内部に設けられた発熱部材と、
    を備えたプラズマ処理装置を用いたプラズマ処理方法であって、
    前記プラズマ励起用のマイクロ波を前記処理空間へ放射するプラズマ処理を実行する前に前記発熱部材による加熱処理を実行し、該加熱処理を実行し始めた後に前記プラズマ処理を実行し、該プラズマ処理を実行し始めた後に前記発熱部材による加熱処理を停止する
    ことを特徴とするプラズマ処理方法。
JP2012114934A 2012-05-18 2012-05-18 プラズマ処理装置、及びプラズマ処理方法 Pending JP2013243218A (ja)

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