JP5082229B2 - プラズマ処理装置 - Google Patents

Description

本発明は、半導体ウエハ等に対してマイクロ波により生じたプラズマを作用させて処理を施す際に使用されるプラズマ処理装置に関する。

近年、半導体製品の高密度化及び高微細化に伴い半導体製品の製造工程において、成膜、エッチング、アッシング等の処理のためにプラズマ処理装置が使用される場合があり、特に、０．１ｍＴｏｒｒ（１３．３ｍＰａ）〜数１０ｍＴｏｒｒ（数Ｐａ）程度の比較的圧力が低い高真空状態でも安定してプラズマを立てることができることからマイクロ波を用いて、高密度プラズマを発生させるマイクロ波プラズマ装置が使用される傾向にある。
このようなプラズマ処理装置は、特許文献１、特許文献２、特許文献３、特許文献４等に開示されている。ここで、マイクロ波を用いた一般的なプラズマ処理装置を図８を参照して概略的に説明する。図８は従来の一般的なプラズマ処理装置を示す概略構成図である。

図８において、このプラズマ処理装置２は、真空引き可能になされた処理容器４内に半導体ウエハＷを載置する載置台６を設けており、この載置台６に対向する天井部にマイクロ波を透過する円板状の窒化アルミや石英等よりなる天板８を気密に設けている。そして処理容器４の側壁には、容器内へ所定のガスを導入するためのガスノズル９が設けられている。

そして、上記天板８の上面に厚さ数ｍｍ程度の円板状の平面アンテナ部材１０と、この平面アンテナ部材１０の半径方向におけるマイクロ波の波長を短縮するための例えば誘電体よりなる遅波材１２を設置している。そして、平面アンテナ部材１０には多数の、例えば長溝状の貫通孔よりなるマイクロ波放射孔１４が形成されている。このマイクロ波放射孔１４は一般的には、同心円状に配置されたり、或いは渦巻状に配置されている。そして、平面アンテナ部材１０の中心部に同軸導波管１６の中心導体１８を接続してマイクロ波発生器２０より発生した、例えば２．４５ＧＨｚのマイクロ波をモード変換器２２にて所定の振動モードへ変換した後に導くようになっている。そして、マイクロ波をアンテナ部材１０の半径方向へ放射状に伝播させつつ平面アンテナ部材１０に設けたマイクロ波放射孔１４からマイクロ波を放出させてこれを天板８に透過させて、下方の処理容器４内へマイクロ波を導入し、このマイクロ波により処理容器４内の処理空間Ｓにプラズマを立てて半導体ウエハＷにエッチングや成膜などの所定のプラズマ処理を施すようになっている。

特開平３−１９１０７３号公報 特開平５−３４３３３４号公報 特開平９−１８１０５２号公報 特開２００３−３３２３２６号公報

ところで、上記プラズマ処理を行う場合に、ウエハ面内に均一に所定の処理を行う必要がある。この場合、必要な処理ガスは、処理容器４の側壁に設けたガスノズル９より供給するようにしているので、このガス出口近傍の領域と、ウエハＷの中心領域とでは拡散する処理ガスがプラズマに晒される時間がそれぞれ異なることから、ガスの解離度が異なってしまい、これに起因してウエハ面内におけるプラズマ処理、例えばエッチングレートや成膜時の膜厚が面内不均一な状態になってしまう場合があった。この現象は、特にウエハサイズが例えば８インチから１２インチへと大きくなるに従って、特に顕著に現れる傾向にあった。

このため、例えば特許文献４に開示されているように、同軸導波管１６の中心を通る棒状の中心導体１８を空洞状態として内部にガス流路を設け、更に天板８を貫通するようにしてガス流路を設け、これらの両ガス流路を連通して、これに処理ガスを流して処理空間Ｓの中心部に直接的に処理ガスを導入することも行われている。

しかしながら、この場合には、天板８の中央部に形成されたガス通路の内部における電界強度が或る程度高いことから、ガス出口近傍のガス通路内でプラズマ異常放電が生じてしまう場合があった。このため、このプラズマ異常放電により天板８の中央部が過度に加熱されて、天板８が破損する、といった問題があった。
またこの場合、天板８自体に、その周辺部より中心部まで延びるガス通路を形成することも考えられるが、この場合にも、ガス通路内の電界強度が高いことから、上述したようにプラズマ異常放電が発生してしまうので、この構造を採用することはできない。

本発明は、以上のような問題点に着目し、これを有効に解決すべく創案されたものである。本発明の目的は、天板の中心部の電界強度を減衰、或いは低減させることによって、ガス通路内にてプラズマ異常放電が発生することを抑制することが可能なプラズマ処理装置を提供することにある。

本発明者等は、プラズマ処理装置における天板中の電界分布について鋭意研究した結果、天板の中央部上面に所定の寸法形状の凹部を設けることにより、この部分における電界強度を減衰させて低減できることを見い出すことにより、本発明に至ったものである。
請求項１に係る発明は、天井部が開口されて内部が真空引き可能になされた処理容器と、被処理体を載置するために前記処理容器内に設けた載置台と、前記天井部の開口に気密に装着されてマイクロ波を透過する誘電体よりなる天板と、前記天板の上面に設けられてマイクロ波を前記処理容器内へ導入するための平面アンテナ部材と、前記平面アンテナ部材の中心部に、その中心導体が接続された同軸導波管を有するマイクロ波供給手段と、を備えたプラズマ処理装置において、前記中心導体と前記平面アンテナ部材と前記天板とを貫通するようにして形成したガス通路を有するガス導入手段を設けると共に、前記天板の上面側の中央部に、前記ガス通路が通り且つ前記天板の中心部の電界強度を減衰させるための電界減衰用凹部を設けるように構成したことを特徴とするプラズマ処理装置である。

このように、上記同軸導波管の中心導体と上記平面アンテナ部材と上記天板とを貫通するようにして形成したガス通路を有するガス導入手段を設けると共に、上記ガス通路が通る上記天板の上面側に、電界減衰用凹部を設けて上記天板の中心部の電界強度を減衰させるようにしたので、上記ガス通路内にてプラズマ異常放電が発生することを抑制することができる。
また、プラズマ異常放電を抑制できることから、天板が部分的に過度に加熱されることがなく、この天板が破損することを防止することができる。
更には、天板の中心部よりガスを供給できるので、処理空間においてガスがプラズマに晒される時間を平均化でき、その結果、ガスの解離状態を均一化させることができる。

この場合、例えば請求項２に規定するように、前記天板の中心部の電界強度は、実質的にゼロである。
また例えば請求項３に規定するように、前記平面アンテナ部材の上面側には、前記伝播されるマイクロ波の波長を短縮するための板状の遅波材が設けられる。
また例えば請求項４に規定するように、前記電界減衰用凹部の直径Ｄ１は前記マイクロ波の前記遅波材中の波長λの１／２の整数倍であり、且つ前記電界減衰用凹部の深さＨ１は前記波長λの１／４の奇数倍である。

また例えば請求項５に規定するように、前記天板に形成された前記ガス通路のガス出口側には、前記処理容器内へ導入されるガスを拡散するための多孔質部材が装着される。
このように、ガス通路の出口側には多孔質部材を装着するようにしたので、処理容器内へガスを拡散させて導入することができ、また、処理容器内のプラズマがガス通路内へ廻り込むことを防止することができる。
また例えば請求項６に規定するように、前記中心導体の先端部は前記天板の上面側まで延びており、前記中心導体の先端部と前記天板の接合面との間にはシール部材が介設されている。

また例えば請求項７に規定するように、前記マイクロ波の周波数は２．４５ＧＨｚであり、前記ガス通路の直径は少なくとも１６ｍｍである。
また例えば請求項８に規定するように、前記処理容器の側壁には、該側壁を貫通して前記処理容器内に挿通されるガス導入ノズルを有する補助ガス導入手段が設けられる。
このように、補助ガス導入手段を設けることにより、処理空間においてガスの解離状態を一層均一化させることができる。
また例えば請求項９に規定するように、前記電界減衰用凹部内は、中空になされている。

本発明に係るプラズマ処理装置によれば、次のように優れた作用効果を発揮することができる。
本発明によれば、上記同軸導波管の中心導体と上記平面アンテナ部材と上記天板とを貫通するようにして形成したガス通路を有するガス導入手段を設けると共に、上記ガス通路が通る上記天板の上面側に、電界減衰用凹部を設けて上記天板の中心部の電界強度を減衰させるようにしたので、上記ガス通路内にてプラズマ異常放電が発生することを抑制することができる。
また、プラズマ異常放電を抑制できることから、天板が部分的に過度に加熱されることがなく、この天板が破損することを防止することができる。
更には、天板の中心部よりガスを供給できるので、処理空間においてガスがプラズマに晒される時間を平均化でき、その結果、ガスの解離状態を均一化させることができる。

特に、請求項５に係る発明によれば、ガス通路の出口側には多孔質部材を装着するようにしたので、処理容器内へガスを拡散させて導入することができ、また、処理容器内のプラズマがガス通路内へ廻り込むことを防止することができる。
また特に、請求項８に係る発明によれば、補助ガス導入手段を設けることにより、処理空間においてガスの解離状態を一層均一化させることができる。

以下に、本発明に係るプラズマ処理装置の一実施例を添付図面に基づいて詳述する。
図１は本発明に係るプラズマ処理装置の一例を示す構成図、図２は図１に示すプラズマ処理装置の平面アンテナ部材を示す平面図、図３は電界減衰用凹部を示す平面図、図４は電界減衰用凹部を示す部分拡大断面図、図５は同軸導波管を主体とする断面を示す図、図６は図５中のＡ−Ａ線矢視断面図である。

図示するようにこのプラズマ処理装置３２は、例えば側壁や底部がアルミニウム等の導体により構成されて、全体が筒体状に成形された処理容器３４を有しており、内部は密閉された処理空間Ｓとして構成されて、この処理空間Ｓにプラズマが形成される。この処理容器３４自体は接地されている。

この処理容器３４内には、上面に被処理体としての例えば半導体ウエハＷを載置する載置台３６が収容される。この載置台３６は、例えばアルマイト処理したアルミニウム等により平坦になされた略円板状に形成されており、例えば絶縁性材料よりなる支柱３８を介して容器底部より起立されている。
上記載置台３６の上面には、ここにウエハを保持するための静電チャック或いはクランプ機構（図示せず）が設けられる。尚、この載置台３６を例えば１３．５６ＭＨｚのバイアス用高周波電源に接続する場合もある。また必要に応じてこの載置台３６中に加熱用ヒータを設けてもよい。

上記処理容器３４の側壁には、補助ガス導入手段４０として、容器内に所定のガスを導入する石英パイプ製のガス導入ノズル４０Ａが設けられており、この各ノズル４０Ａよりガスを流量制御しつつ供給できるようになっている。尚、この補助ガス導入手段４０は、必要に応じて設けるようにすればよく、また、複数のノズルを設けて複数種類のガスを導入できるようにしてもよい。

また、容器側壁には、この内部に対してウエハを搬入・搬出する時に開閉するゲートバルブ４２が設けられている。また、容器底部には、排気口４４が設けられると共に、この排気口４４には図示されない真空ポンプが介接された排気路４６が接続されており、必要に応じて処理容器３４内を真空引きして所定の圧力に維持できるようになっている。
そして、処理容器３４の天井部は開口されて、ここに例えば石英やセラミック材等よりなるマイクロ波に対しては透過性を有する天板４８がＯリング等のシール部材５０を介して気密に設けられる。この天板４８の厚さは耐圧性を考慮して例えば２０ｍｍ程度に設定される。

そして、この天板４８の中央部の上面側に、円形に窪ませてなる本発明の特徴とする電界減衰用凹部５２が形成されている。この電界減衰用凹部５２の構造については後述する。また上記天板４８には、この上面に接して円板状の平面アンテナ部材５４が設けられている。

上記平面アンテナ部材５４は、８インチサイズのウエハ対応の場合には、例えば直径が３００〜４００ｍｍ、厚みが１〜数ｍｍの導電性材料よりなる、例えば表面が銀メッキされた銅板或いはアルミ板よりなり、この円板には、図２にも示すように例えば長溝状の貫通孔よりなる多数のマイクロ波放射孔５６が形成されている。このマイクロ波放射孔５６の配置形態は、特に限定されず、例えば同心円状、渦巻状、或いは放射状に配置させてもよいし、アンテナ部材全面に均一になるように分布させてもよい。例えばマイクロ波放射孔５６は、この２個を僅かに離間させてＴの字状に配置して一対の組を形成している。

そして、この平面アンテナ部材５４の中心部には、所定の大きさの貫通孔５８が形成されており、後述するようにこの貫通孔５８を介してガスが供給される。そして、図１へ戻って、この平面アンテナ部材５４にはマイクロ波供給手段６０が接続されており、このマイクロ波供給手段６０より供給されるマイクロ波を、上記平面アンテナ部材５４より処理空間Ｓに導入し得るようになっている。
具体的には、上記マイクロ波供給手段６０は、上記平面アンテナ部材５４へ接続される同軸導波管６２を有すると共に、上記平面アンテナ部材５６の上面側に設けられた板状の遅波材６４を有している。そして、この遅波材６４の上方側は、導波箱６６により覆われている。

従って、上記平面アンテナ部材５４は、上記遅波材５６の上方全面を覆う導電性の中空円筒状容器よりなる導波箱６６の底板として構成されることになる。
この導波箱６６及び平面アンテナ部材５４の周辺部は共に接地される。そして、この導波箱６６と上記平面アンテナ部材５４に上記同軸導波管６２が接続される。この同軸導波管６２は中心導体６８と、この中心導体６８の周囲を所定間隔だけ離間して囲むようにして設けられた例えば断面円形の筒状の外側導体７０とよりなる。これらの中心導体６８や外側導体７０は、例えばステンレススチールや銅等の導体よりなる。上記導波箱６６の上部の中心には、上記同軸導波管６２の筒状の外側導体７０が接続され、内部の中心導体６８の下端部側は、上記遅波材５６の中心に形成した孔７２を通って上記平面アンテナ部材５４の中心部に溶接等の接続部７４によって接続される。

そして、この中心導体６８の下端部は、上記平面アンテナ部材５４の貫通孔５８（図４参照）を介して下方へ延びて、上記天板４８の上面側に設けた電界減衰用凹部５２内に位置されると共に、その下端にはその直径を拡大した接続フランジ７６が設けられている。そして、上記天板４８の電界減衰用凹部５２の中心部には、下方の処理空間Ｓへ抜ける貫通孔７８（図３も参照）が形成されており、この貫通孔７８の周辺部に、上記中心導体６８の接続フランジ７８がＯリング等のシール部材８０を介して気密に接続されている。

そして、この同軸導波管６２の上部は、モード変換器８２及び導波管８４を介してマッチング８６を有する例えば２．４５ＧＨｚのマイクロ波発生器８８に接続されており、上記平面アンテナ部材５４へマイクロ波を伝播するようになっている。ここで上記中心導体６８の上端部は上記モード変換器８２の天井区画壁に接続されている。ここで用いる周波数は２．４５ＧＨｚに限定されず、他の周波数、例えば８．３５ＧＨｚを用いてもよい。上記導波管８４としては、断面円形或いは断面矩形の導波管を用いることができる。尚、上記導波箱６６の上部に図示しない天井冷却ジャケットを設けるようにしてもよい。そして、上記導波箱６６内であって、平面アンテナ部材５４の上面側に設けた高誘電率特性を有する遅波材６４は、この波長短縮効果により、マイクロ波の管内波長を短くしている。この遅波材６４としては、例えば石英や窒化アルミ等を用いることができる。

そして、上記同軸導波管６２には、本発明の特徴とするガス導入手段９０が設けられる。具体的には、このガス導入手段９０は、上記同軸導波管６２の中心導体６８、平面アンテナ部材５４及び天板４８をそれぞれ貫通するようにして形成したガス通路９２を有している。すなわち、このガス通路９２は、上記中心導体６８においては、図６にも示すようにこれを空洞状、或いはパイプ状に成形することにより作られている。また、天板４８においては、この中心部に形成した上記貫通孔７８が、上記ガス通路９２の一部となっている。

そして、上記中心導体６８の上端部に形成されたガス入口９４には、途中に開閉弁９６やマスフローコントローラのような流量制御器９８等が介設されたガス供給系１００が接続されており、必要に応じて所望のガスを流量制御しつつ供給できるようになっている。
また、上記ガス通路９２のガス出口側である天板４８の貫通孔７８には、これより放出されるガスを拡散させるための多孔質部材１０２が装着されている。この多孔質部材１０２としては、例えば石英ポーラス材やアルミナポーラス材を用いることができ、特に天板４８が石英板の時には、熱膨張率が略同じとなる石英ポーラス材を用いることにより、装着性を向上させることができる。

ここで上記天板４８に設けた電界減衰用凹部５２の寸法について説明する。この電界減衰用凹部５２は、この天板４８の中心部における電界強度を減衰させるものであり、条件によっては電界強度を略ゼロにするものである。そのためには、下記式１及び式２に示すように、上記電界減衰用凹部５２の直径Ｄ１は、上記マイクロ波の遅波材６４中の波長λの１／２の整数倍であり、且つ深さＨ１は波長λの１／４の奇数倍に設定する（図３及び図４参照）。
Ｄ１＝λ／２・ｎ … 式１
Ｈ１＝λ／４・（２ｎ−１）… 式２
ただし、ｎ：正の整数

すなわち、図４に示すように、上記電界減衰用凹部５２には、マイクロ波の反射波も含めてその全周方向及び上下方向からマイクロ波が伝播してくる。そして、全周方向から伝播してくるマイクロ波Ｅｘに関しては、上記式１を満たすことにより、互いに反対方向のマイクロ波Ｅｘは相殺し合ってしまう。
また、上下方向から伝播してくるマイクロ波Ｅｙは、一方が反射波となっているので、上記式２を満たすことにより、互いに反対方向のマイクロ波Ｅｙは相殺し合ってしまう。この結果、この部分、すなわち天板４８の中央部における電界強度を減衰させて例えば略ゼロに設定することが可能となる。

次に、上記同軸導波管６２の構造について、図５及び図６も参照して詳しく説明する。ここではモード変換器８２において、マイクロ波発生器８８にて発生したマイクロ波の振動モードをＴＥモードからＴＥＭモードへ変換すると共に、その進行方向を９０度曲げている。このモード変換器８２は、その外側区画壁は矩形状の箱体として形成されている。そして、上記同軸導波管６２の中心導体６８の上端部である基端部は、上記モード変換器８２の天井板となる区画壁８２Ａに円錐形状に成形された接合部１０４を介して取り付け接合されている。この円錐形状の接合部１０４は、導波管８４側より進行してくるマイクロ波を、その進行方向を９０度まげて下方向へ向けるために斜面の傾斜角度θは４５度に設定されている。

そして、この同軸導波管６２の中心導体６８と外側導体７０の直径は、従来のプラズマ処理装置の場合よりもマイクロ波の伝播に関する基本的な性能を維持できる範囲で共に大きく設定されており、そして、上記中心導体６８に形成されたガス通路９２の内径Ｄ２が第１の所定値以上に設定されている。この第１の所定値は、従来のマイクロ波発生装置の中心導体の一般的な太さである１６ｍｍ程度であり、上記内径Ｄ２を例えば１６ｍｍ以上の大きな値に設定する。また上記中心導体６８や外側導体７０の厚さは少なくとも２ｍｍ程度に設定されており、これよりも厚みが薄いとマイクロ波による加熱の原因となる。

この場合、上記中心導体６８や外側導体７０の径を単に大きく設定すると、マイクロ波 に複数の振動モードが混在したり、マイクロ波の反射特性が劣化する等の不都合が生ずるので、例えば以下に説明するような設計基準を満たす必要が生ずる。
第１の基準としては、上記外側導体７０の内径の半径ｒ１と、上記中心導体６８の外径の半径ｒ２との比”ｒ１／ｒ２”を第２の所定値に維持しつつ上記外側導体７０の内径Ｄ３（＝２・ｒ１）を第３の所定値以下とする。この場合、下記式３と上記比”ｒ１／ｒ２”に基づいて求められる特性インピーダンスＺｏが例えば４０〜６０Ωの範囲内に入るように設定する。具体的には、このような特性インピーダンス値を満たす第２の所定値は、ｅ^２／３ 〜ｅ（ｅ＝２．７１８…）の範囲内の一定値である。

Ｚｏ＝ｈ／２π・ｌｎ（ｒ１／ｒ２） … 式３
ｈ：電波インピーダンス（電界と磁界の比）
ｌｎ：自然対数
ここで”４０≦Ｚｏ≦６０”とすると、上記比”ｒ１／ｒ２”の範囲が定まる。
尚、同軸線路における特性インピーダンスの求め方及びＴＥＭモードに限定した伝播については、文献「マイクロ波工学」（森北電気工学シリーズ３、マイクロ波光学−基礎と原理−著者：中島 将光、発光所：森北出版、１９９８年１２月１８日発行）の「同軸線路」（６７−７０頁）に示される。

また上記第３の所定値としては、上記伝播されるマイクロ波の大気中の波長λｏの”０．５９−０．１”（＝０．４９）波長であり、下記式４に示すように、上記内径Ｄ３を０．４９・λｏ以下の値となるように設定する。
Ｄ３≦λｏ（０．５９−０．１） … 式４
この条件を満たすことにより、モード変換後の同軸導波管６２内を伝播するマイクロ波の振動モードをＴＥＭモードのみとし、他の振動モードが混在しない状態にすることができる。

上記式４に示す条件式は、以下のようにして求められる。すなわち、ＴＥＭモード以外で円形導波管（同軸導波管ではない）に最も伝播し易いモードは、伝播係数の高い方からＴＥ１１モードであり、その場合の遮断周波数ｆｃは、以下の式となる。
ｆｃ＝１．８４１／２πｒ√（με）
ここで上記ｆｃ、ｒ、μ、εは各々、遮断周波数、円形導波管の半径、大気中の透磁率、大気中の誘電率である。
これを変形すると、ｒ＝０．２９５λｏ（λｏ：電磁波の大気中での波長）となり、円形導波管の直径：２ｒ＝０．５９λｏとなる。
ここで、上記λｏより波長の長い電磁波を用いればＴＥＭモードのみが伝播することになり、また円形導波管を同軸導波管と見立てて、”２ｒ≒２ｒ１＝Ｄ３≦０．５９λｏ”の条件下でＴＥＭモードのみが伝播することになる。更に、経験的な安全係数を考慮すると、”Ｄ３≦（０．５９−０．１）λｏ”となり、上記式４が導き出される。
この結果、外側導体７０の内径Ｄ３：（２×ｒ１）を最大６０ｍｍにでき、また、中心導体６８の外径（２×ｒ２）を３０ｍｍ程度にでき、中心導体６８の厚みを２ｍｍとすると、その内径Ｄ２を２６ｍｍとすることができる。

また、好ましくは第２の基準として、下記式５に示すように、上記モード変換器８２と上記同軸導波管６２とを含む全体の長さＨ２を、上記マイクロ波の大気中の波長λｏの１／４波長の奇数倍に設定することが望ましい。
Ｈ２＝１／４・λｏ・（２ｎ−１） … 式５
ｎ：正の整数
上記高さＨ２は、具体的には、上記モード変換器８２の天井の区画壁８２Ａと上記導波箱６６の天井板との間の距離である。この第２の基準を満たすことにより、この同軸導波管６２内を進行する進行波と、平面アンテナ部材５４側からの反射波とを効率的に打ち消し合うようにすることができる。

また更には、好ましくは第３の基準として、下記式６に示すように、上記モード変換器８２に入るマイクロ波の進行方向とは反対側に位置する端面、すなわち短絡板８２Ｂと上記円錐形状の接合部１０４の斜面の中間点との間の距離Ｈ４は、上記マイクロ波の大気圧中の波長λｏの１／２波長の整数倍の長さに設定することが望ましい。
Ｈ４＝１／２・λｏ・ｎ … 式６
ｎ：正の整数
ここで上記円錐状の接合部１０４の斜面の中間点の位置は、上記同軸導波管６２の筒状の外側導体７０の延長線上に位置するように対応している。

この第３の基準を満たすことにより、導波管８４内を伝播されてくる進行波と、このモード変換器８２の短絡板８２Ｂから反射されてくる反射波とが同期して効率的に合成されて下方向の同軸導波管６２へ向けて９０度進行方向を変えて進行させることが可能となる。
以上のように、上記第１の基準を満たすことにより、マイクロ波に関する基本的な性能を維持しつつ中心導体に形成されるガス通路９２の内径を拡大することができ、更に上記第２及び第３の基準を満たすことにより、上記作用効果を一層向上させることができる。

次に、以上のように構成されたプラズマ処理装置３２を用いて行なわれる処理方法について説明する。
まず、ゲートバルブ４２を介して半導体ウエハＷを搬送アーム（図示せず）により処理容器３４内に収容し、リフタピン（図示せず）を上下動させることによりウエハＷを載置台３６の上面の載置面に載置する。

そして、処理容器３４内を所定のプロセス圧力、例えば０．０１〜数Ｐａの範囲内に維持して、補助ガス導入手段４０、ガス導入ノズル４０Ａやガス導入手段９０のガス通路９２を介して処理態様に応じて例えば成膜処理であるならば成膜用ガスを、エッチング処理であるならばエッチングガスを流量制御しつつ供給する。上記ガス導入手段９０においては、供給すべきガスはガス供給系１００を流れて同軸導波管６２の中心導体６８に設けたガス通路９２の上端部のガス入口９４からガス通路９２内に入り、このガス通路９２を流下した後に、天板４８に設けた貫通孔７８の下端部のガス出口から処理空間Ｓに導入されることになる。

これと同時にマイクロ波供給手段６０のマイクロ波発生器８８にて発生したＴＥモードのマイクロ波を導波管８４に伝播させ、更にモード変換器８２にてこの振動モードをＴＥＭモードに変換した後に同軸導波管６２を伝播させて平面アンテナ部材５４に供給して処理空間Ｓに、遅波材６４によって波長が短くされたマイクロ波を導入し、これにより処理空間Ｓにプラズマを発生させて所定のプラズマ処理を行う。

ここで、マイクロ波発生器８２にて発生した例えば２．４５ＧＨｚのマイクロ波は上記したように同軸導波管６２内を伝播して導波箱６０内の平面アンテナ部材５４に到達し、中心導体６８の接続された円板状の平面アンテナ部材５４の中心部から放射状に周辺部に伝播される間に、この平面アンテナ部材５４に多数形成されたマイクロ波放射孔５６から天板４８を透過させて平面アンテナ部材５４の直下の処理空間Ｓにマイクロ波を導入する。このマイクロ波により励起された例えばアルゴンガスやエッチングガスがプラズマ化し、この下方に拡散してここで処理ガスを活性化して活性種を作り、この活性種の作用でウエハＷの表面に所定のプラズマ処理が施されることになる。

ここでガス導入手段９０のガス通路９２の一部を構成する天板４８の貫通孔７８内には、ここにガスが流れることからマイクロ波による電界により、プラズマ異常放電が生ずる恐れがある。しかしながら、本発明においては、この天板４８の中央部の上面側に電界減衰用凹部５２を設けてこの部分における電界強度を減衰させて例えば略ゼロにしているので、上記プラズマ異常放電の発生を防止することができる。

具体的には、前述した如く、下記式１及び式２に示すように、上記電界減衰用凹部５２の直径Ｄ１は、上記マイクロ波の遅波材６４中の波長λの１／２の整数倍であり、且つ深さＨ１は波長λの１／４の奇数倍に設定している（図３及び図４参照）。
Ｄ１＝λ／２・ｎ … 式１
Ｈ１＝λ／４・（２ｎ−１）… 式２
ただし、ｎ：正の整数
この場合、マイクロ波の周波数２．４５ＧＨｚ、天板４８を構成する材料の比誘電率が３．８の石英であると仮定すると、λ＝６２ｍｍとなるので、例えばＤ１＝３１ｍｍ、Ｈ１＝１５．１ｍｍとなる。

そして、図４に示すように、上記電界減衰用凹部５２には、マイクロ波の反射波も含めてその全周方向及び上下方向からマイクロ波が伝播してくる。この時、全周方向から伝播してくるマイクロ波Ｅｘに関しては、上記式１を満たすことにより、互いに反対方向のマイクロ波Ｅｘは相殺し合ってしまう。
また、上下方向から伝播してくるマイクロ波Ｅｙは、一方が反射波となっているので、上記式２を満たすことにより、互いに反対方向のマイクロ波Ｅｙは相殺し合ってしまう。この結果、この部分、すなわち天板４８の中央部における電界強度を減衰させて例えば略ゼロに設定することが可能となる。

この結果、天板４８の貫通孔７８内や外側導体７０の下端部近傍の電界強度が略ゼロになるので、ここにプラズマ異常放電が発生することを防止することができる。従って、天板４８が局部的に高温に加熱されることもないので、この天板４８が破損することも防止することができる。

更には、天板４８の貫通孔７８内に多孔質部材１０２を装着しておくことにより、この多孔質部材１０２の機能により処理空間Ｓに導入されるガスを拡散された状態で導入することができるのみならず、処理空間Ｓ内で発生しているプラズマ放電が、この多孔質部材１０２に阻害されるので貫通孔７８内に廻り込むことを防止することができ、この結果、中心導体６８の下端部をシールするシール材８０がプラズマにより傷付けられることを防止できる。
また必要なガスをガス導入手段９０により天板４８の中心部から供給するようにしたので、このガスが処理空間Ｓ内の周辺部に均等に拡散して行くことになり、この結果、従来装置と比較して処理空間Ｓにおけるガスの解離度の均一性を高く維持することができる。

特にガス導入手段９０のみならず、処理容器３４の側壁に設けた補助ガス導入手段４０からも同種のガスを供給することにより、中心からのガス拡散と周辺からのガス拡散が合成されることになり、その結果、処理空間Ｓの全域に渡ってガスは均一に拡散して行くことになり、処理空間Ｓにおけるガスの解離度の均一性を一層高く維持することができる。
尚、天板４８の中心部の直下の処理空間Ｓでは、プラズマ電界強度が減衰していることから、ここではプラズマ放電が生じ難いが、その周辺部から十分に解離ガスが補給されるので特に問題は生じない。

次に、天板４８中のマイクロ波の電界強度の分布を実際に測定して評価を行ったので、その評価結果について説明する。
図７は天板中のマイクロ波の電界分布の状態を示す写真であり、理解を容易にするために模式図が併記されている。図７（Ａ）は電界減衰用凹部を設けていない従来構造の天板を示し、図７（Ｂ）は電界減衰用凹部を設けた本発明の天板を示す。

上記図７より明らかなように、図７（Ａ）に示す従来構造の天板の場合には、天板の中心部にはプラズマの電界強度が大きく現れている。これに対して、図７（Ｂ）に示す本発明の場合には、天板の中心においてはプラズマの電界強度は略ゼロになっていることを確認することができた。
尚、本発明のプラズマ処理装置は、エッチング処理、プラズマＣＶＤ処理、プラズマアッシング処理、酸化拡散処理、窒化処理等のプラズマを用いる全ての処理に適用することができる。
また上記実施例では、被処理体として半導体ウエハを例にとって説明したが、これに限定されず、ＬＣＤ基板、ガラス基板、セラミック基板等にも本発明を適用することができる。

本発明に係るプラズマ処理装置の一例を示す構成図である。 図１に示すプラズマ処理装置の平面アンテナ部材を示す平面図である。 電界減衰用凹部を示す平面図である。 電界減衰用凹部を示す部分拡大断面図である。 同軸導波管を主体とする断面を示す図である。 図５中のＡ−Ａ線矢視断面図である。 天板中のマイクロ波の電界分布の状態を示す写真である。 従来の一般的なプラズマ処理装置を示す概略構成図である。

符号の説明

３２ プラズマ処理装置
３４ 処理容器
３６ 載置台
４０ 補助ガス導入手段
４０Ａ ガス導入ノズル
４８ 天板
５２ 電界減衰用凹部
５４ 平面アンテナ部材
６０ マイクロ波供給手段
６２ 同軸導波管
６４ 遅波材
６８ 中心導体
７０ 外側導体
８２ モード変換器
８４ マイクロ波発生器
９０ ガス導入手段
９２ ガス通路
１０２ 多孔質部材
Ｗ 半導体ウエハ（被処理体）

Claims (9)

1. 天井部が開口されて内部が真空引き可能になされた処理容器と、
   被処理体を載置するために前記処理容器内に設けた載置台と、
   前記天井部の開口に気密に装着されてマイクロ波を透過する誘電体よりなる天板と、
   前記天板の上面に設けられてマイクロ波を前記処理容器内へ導入するための平面アンテナ部材と、
   前記平面アンテナ部材の中心部に、その中心導体が接続された同軸導波管を有するマイクロ波供給手段と、
   を備えたプラズマ処理装置において、
   前記中心導体と前記平面アンテナ部材と前記天板とを貫通するようにして形成したガス通路を有するガス導入手段を設けると共に、
   前記天板の上面側の中央部に、前記ガス通路が通り且つ前記天板の中心部の電界強度を減衰させるための電界減衰用凹部を設けるように構成したことを特徴とするプラズマ処理装置。
2. 前記天板の中心部の電界強度は、実質的にゼロであることを特徴とする請求項１記載のプラズマ処理装置。
3. 前記平面アンテナ部材の上面側には、前記伝播されるマイクロ波の波長を短縮するための板状の遅波材が設けられることを特徴とする請求項１または２記載のプラズマ処理装置。
4. 前記電界減衰用凹部の直径Ｄ１は前記マイクロ波の前記遅波材中の波長λの１／２の整数倍であり、且つ前記電界減衰用凹部の深さＨ１は前記波長λの１／４の奇数倍であることを特徴とする請求項３記載のプラズマ処理装置。
5. 前記天板に形成された前記ガス通路のガス出口側には、前記処理容器内へ導入されるガスを拡散するための多孔質部材が装着されることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。
6. 前記中心導体の先端部は前記天板の上面側まで延びており、前記中心導体の先端部と前記天板の接合面との間にはシール部材が介設されていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。
7. 前記マイクロ波の周波数は２．４５ＧＨｚであり、前記ガス通路の直径は少なくとも１６ｍｍであることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。
8. 前記処理容器の側壁には、該側壁を貫通して前記処理容器内に挿通されるガス導入ノズルを有する補助ガス導入手段が設けられることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。
9. 前記電界減衰用凹部内は、中空になされていることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。

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