JP3934560B2 - プラズマ処理装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、マイクロ波により発生したプラズマを利用するプラズマ処理装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、ＩＣ（ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｃｉｒｃｕｉｔ）の微細化及びウェハの大口径化が進み、それに伴い大口径な薄膜を均一に作成することが要求されている。特に、ゲート酸化膜は、ＩＣの特性を左右するため薄く均一に形成する必要がある。そこでゲート酸化膜等の薄膜を、マイクロ波（例えば、２．４５ＧＨｚ）を用いたプラズマ処理装置により形成している。このマイクロ波を用いたプラズマ処理装置では、高い周波数を有するマイクロ波により高密度、低電子温度のプラズマを得ることができる。よって、ゲート酸化膜等の薄膜への電気的破壊や物理的破壊の影響を抑えることができる。このようにマイクロ波を用いると効率よくダメージの少ない薄膜を形成することができるが、マイクロ波の波長はウェハ径と同程度であるため、マイクロ波により大口径な薄膜を均一に作成する場合、後述の波の性質による影響を受け易い。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
プラズマ処理装置において、プラズマを発生させるためのマイクロ波が伝搬する領域である誘電体等は、試料（例えばシリコンウェハ）の形状に合わせて、円筒形状や円形状に形成されている。そのため、図１２に示すように、マイクロ波が円筒形状の伝搬領域の壁面１４において互いに集まる方向、あるいは分散する方向に反射する。これは、マイクロ波の波の性質が顕著であるためである。図１３は、このような円筒形状の伝搬領域におけるマイクロ波の電界強度分布であり、マイクロ波の電界強度分布が円筒形状の領域内において中央部に偏り、不均一となる性質を有していることを示している。よって、円筒形状の伝搬領域において不均一となったマイクロ波により不均一なプラズマが発生し、この不均一なプラズマにより励起・活性化されたガス分子により試料の表面に薄膜が形成される。そのため、均一な薄膜形成が困難となっている。また、ウェハの大口径に伴い、プラズマを発生させるマイクロ波の伝搬領域も大きくなるため、マイクロ波の電界強度分布の偏りが顕著となり易く、均一なプラズマを発生させることが困難となる。
【０００４】
そこで、マイクロ波がプラズマにより反射・吸収される性質を利用し、不均一なマイクロ波をプラズマに反射・吸収させて均一にする方法が採られている。例えば、円形状または円筒形状の外側部分のみからマイクロ波の導入を行って不均一なマイクロ波を導入し、そのマイクロ波の不均一性をプラズマにより吸収し、バランスをとることで均一な励起を行う方法が用いられている。
しかし、この方法では、ガスの流量・組成比、圧力、試料温度等のプロセス条件の変化に対してバランスを維持することが難しく、処理内容に応じて、そのプロセス条件を設定する必要がある。また、メンテナンス等による多少の状態変化によってもプロセス条件が変わってしまう等、プロセスマージンが小さいという問題がある。
【０００５】
そこで、本発明は、試料の処理面に対して均一な処理を施すことができるプラズマ処理装置を提供することを目的とする。
また、本発明は、プロセスマージンを拡大することができるプラズマ処理装置を提供することを目的とする。
【０００６】
上記課題を解決するために、本願第１発明は、反応器内の試料にプラズマ処理を行うプラズマ処理装置であって、マイクロ波を発生するマイクロ波発生手段と、前記マイクロ波発生手段に接続され、前記試料の処理面に沿う断面の対向する二辺が平行な矩形状である第１誘電体と、前記マイクロ波により前記反応器内に発生するプラズマを用いて前記試料を処理する処理手段とを有し、前記試料の処理面に沿う方向における、前記第１誘電体の対向する二辺の間隔Ｌ_d1は、実質的に下記式（１）を満たすプラズマ処理装置を提供する。
Ｌ_d1＝ｎ_d1（λ₁／２） …（１）
ここで、λ₁：前記第１誘電体内のマイクロ波の波長
ｎ_d1：１以上の整数である。
上記のプラズマ処理装置では、マイクロ波が伝播する第１誘電体の断面を対向する二辺が平行な矩形状とし、その長さを上記のように設定することで、第１誘電体の端面における多重反射による波のうち消し合いが低減する。よって、マイクロ波の電界強度分布が試料の処理面に沿って全体として概ね均一（以下、単に均一という）となり、均一なプラズマが発生する。このプラズマにより励起・活性化されたガス分子によって均一な薄膜形成やエッチングなどが可能となる。また、ガスの流量・組成比等のプロセス条件の変更やメンテナンス等によるプロセス条件の変化に対しても、マイクロ波の電界強度分布が偏りにくい。よって、プロセスマージンを拡大することができる。
【０００７】
本願第２発明は、前記第１発明において、前記第１誘電体の対向する二組の二辺の間隔Ｌ _d1a 及びＬ _d1b は、実質的に下記式を満たすプラズマ処理装置を提供する。
Ｌ _d1a ＝ｎ _d1a （λ ₁ ／２）、Ｌ _d1b ＝ｎ _d1b （λ ₁ ／２）
ここで、λ ₁ ：前記第１誘電体内のマイクロ波の波長、
ｎ _d1a 、ｎ _d1b ：１以上の整数である。
【０００８】
本願第３発明は、前記第１発明において、前記反応器と前記第１誘電体との間に設けられ、少なくとも一つのスロットが形成されており、前記第１誘電体内のマイクロ波の電界強度分布の均一性を保持またはさらに高めるスロット板と、前記スロット板と前記反応器との間に設けられ、前記試料の処理面に沿う断面の対向する二辺が平行な矩形状であり、前記スロット板から供給されるマイクロ波の電界強度分布の均一性を保持またはさらに高める第２誘電体とをさらに有し、前記試料の処理面に沿う方向における、前記第２誘電体の対向する二辺の間隔Ｌ_d2は、実質的に下記式（２）を満たすプラズマ処理装置を提供する。
Ｌ_d2＝ｎ_d2（λ₂／２） …（２）
ここで、λ₂：前記第２誘電体内のマイクロ波の波長
ｎ_d2：１以上の整数である。
上記の長さＬ_d2を有する第２誘電体により前記第１発明と同様の効果が得られる。また、スロット板によってもマイクロ波が均一化されるため、さらにマイクロ波を均一化することができる。
【０００９】
本願第４発明は、前記第１又は第３発明において、前記反応器は、前記試料の処理面に沿う断面の対向する二辺が平行な矩形状であり、かつ前記反応器の対向する二辺の長さＬ_Pは、実質的に下記式（３）を満たすプラズマ処理装置を提供する。
Ｌ_P＝ｎ_P（λ_P／２） …（３）
ここで、λ_P：前記反応器内のマイクロ波の波長
ｎ_P：１以上の整数である。
上記の構成により、反応器内のマイクロ波による多重反射がプラズマに与える影響を低減することができ、効率よくプラズマを発生させることができる。
【００１０】
本願第５発明は、前記第３発明において、前記第１誘電体及び前記第２誘電体の各々の比誘電率は実質的に同一であるプラズマ処理装置を提供する。
比誘電率が実質的に同一であると、前記試料の処理面に沿う方向における第１誘電体及び第２誘電体の長さを揃えることができるため、より現実的な設計が可能となる。
【００１１】
本願第６発明は、前記第３発明において、前記第１誘電体内のマイクロ波の波長λ₁と前記第２誘電体内のマイクロ波の波長λ₂とが、実質的に下記式（４）を満たすプラズマ処理装置を提供する。
λ₁／２＝ｍ（１／２）λ₂ …（４）
ここで、λ₁：前記第１誘電体内のマイクロ波の波長
λ₂：前記第２誘電体内のマイクロ波の波長
ｍ：１以上の整数である。
上記の構成により、それぞれの誘電体内を伝搬するマイクロ波の位相がお互いに実質的に一致しており、干渉して減衰するのを防止することができ、均一なプラズマを発生させることができる。
【００１２】
本願第７発明は、前記第３発明において、前記第１誘電体内のマイクロ波の波長λ₁、前記第２誘電体内のマイクロ波の波長λ₂及び前記反応器内のマイクロ波の波長λ_Pが、実質的に下記式（５）及び（６）を満たすプラズマ処理装置を提供する。
λ₁／２＝ｍ（１／２）λ₂ …（５）
λ₁／２＝ｋ（１／２）λ_P …（６）
ここで、λ₁：前記第１誘電体内のマイクロ波の波長
λ₂：前記第２誘電体内のマイクロ波の波長
λ_P：前記反応器内のマイクロ波の波長
ｍ、ｋ：１以上の整数である。
第１誘電体、第２誘電体及び反応器内のマイクロ波の位相がお互いに実質的に一致しており、第６発明と同様の効果が得られる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
＜プラズマ処理装置＞
プラズマ処理装置は、マイクロ波発生器、処理室及び処理室上部のマイクロ波伝搬領域を有しており、以下のように処理が行われる。
マイクロ波発生器より発生したマイクロ波がマイクロ波伝搬領域を伝搬し、ガス雰囲気の処理室内に電界が形成される。この電界とガスとによりプラズマが発生し、プラズマにより生成された化学種により成膜、エッチング、気相洗浄等の処理が処理室内の試料に施される。
【００１５】
このようなプラズマを利用したプラズマ処理装置には、プラズマにより酸化・窒化を行う装置（以下、プラズマ酸窒化装置という）、プラズマＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ ）装置、プラズマエッチング装置、プラズマアッシング装置、プラズマ洗浄装置、プラズマアニール装置等がある。
以下に、本発明のプラズマ処理装置として、プラズマ酸窒化装置を例に挙げて説明する。
＜第１実施形態例＞
図１は第１実施形態例に係るプラズマ酸窒化装置の外観、図２は図１のＡ−Ａ’を含む試料の処理面に垂直な方向における図１の装置の断面図、図３は図１に示すプラズマ酸窒化装置の要部の分解斜視図、図４は矩形誘電体１５のＹ方向のマイクロ波の波長を示す説明図である。なお図３に示すように、矩形誘電体１５の試料１２の処理面に沿う断面において、二組の対向する平行な二辺と同一なそれぞれの方向をＸ方向及びＹ方向とし、Ｘ、Ｙ方向と垂直な方向をＺ方向とする。
【００１６】
第１実施形態例に係るプラズマ酸窒化装置は、マイクロ波発生器１、矩形導波管２及びチャンバ４を有している。チャンバ４には、成膜ガス等のガスを導入するガス導入口５及びガスを排出するガス排出口６が取り付けられている。また、チャンバ４は、矩形状のチャンバ蓋（以下、矩形チャンバ蓋）４ａと円筒形状の処理室（以下、円形処理室）４ｂとを有している。円形処理室４ｂには、矩形チャンバ蓋４ａと対向する位置に試料１２を処理するための試料台１１が設けられている。円形処理室４ｂの側面には、ガス導入口５から成膜ガス等のガスを円形処理室４ｂに供給するガス導入部１０が設けられている。一方、矩形チャンバ蓋４ａには、試料１２の処理面に沿う断面の対向する二辺が平行な矩形状の誘電体（以下、矩形誘電体）１５が円形処理室４ｂの上部を覆うように設けられている。矩形誘電体１５は、例えば平行四辺形、長方形、正方形状である。チャンバ４上には、矩形導波管２及び矩形導波管２に接続されたマイクロ波発生器１が設けられている。
【００１７】
このとき、矩形誘電体１５のＹ方向の長さＬ_15Yは、実質的に、下記式（７）を満たすように設定する。
Ｌ_15Y＝ｎ_15Y（λ₁₅／２） …（７）
ここで、λ₁₅は矩形誘電体１５内のマイクロ波の波長、ｎ_15Yは１以上の整数である。
また同様に、矩形誘電体１５のＸ方向の長さＬ_15Xを、実質的に、下記式（８）を満たすように設定しても良い。
【００１８】
Ｌ_15X＝ｎ_15X（λ₁₅／２） …（８）
ここで、ｎ_15Xは１以上の整数である。
上記の式（７）及び（８）の矩形誘電体１５内のマイクロ波の波長λ₁₅は、矩形誘電体１５のＸ方向及びＹ方向の長さが波長λ₁₅より十分に大きい場合、Ｘ方向及びＹ方向など全方向において実質的に同じ波長となり、下記式（９）で表される。
【００１９】
【数１】

ここで、λ＝自由空間波長、ε_r15＝矩形誘電体１５の比誘電率である。
矩形誘電体１５内の設計は、矩形誘電体１５内でのマイクロ波の伝播方向の成分を考慮し、Ｘ方向及び／またはＹ方向の長さを設定する。さらに、Ｚ方向の長さについても同様に設定すると好ましい。
この誘電体としては、石英、フッ素樹脂、ポリエチレン、ポリスチレン等の誘電損失の少ない物質が好ましい。誘電体は、真空、空気、ガス等比誘電率が“１”である場合を含む。また、誘電体の表面の少なくとも一部が導体で覆われている場合を含む。矩形導波管２のかわりに、スロットアンテナ、同軸アンテナ等その他のアンテナを設けても良い。このプラズマ酸窒化装置では、例えば以下のように成膜の処理が行われる。
【００２０】
まず、ガス排出口６より排気を行って、円形処理室４ｂ内を所定の真空度にし、ガス導入口５及びガス導入部１０を介して円形処理室４ｂ内にガスを導入する。次に、マイクロ波発生器１より発生したマイクロ波を、矩形導波管を介して矩形誘電体１５に導入する。矩形誘電体１５内において、マイクロ波の電界強度分布を試料１２の処理面に沿う方向に概ね均一化する（以下、電界強度分布が概ね均一なマイクロ波を、均一なマイクロ波と称する。また、以下の“均一”とは“試料１２の処理面に沿う方向に概ね均一”をいうものとする）。矩形誘電体１５により均一化されたマイクロ波は、円形処理室４ｂ内に導入される。導入されたマイクロ波により発生したプラズマは、ガス分子を励起・活性化させ化学種を生成し、試料１２の表面に薄膜を形成する。
【００２１】
このプラズマ酸窒化装置は、試料１２の処理面に沿う面方向にマイクロ波を伝搬させる領域、すなわち矩形誘電体１５の試料１２の処理面に沿う断面の対向する二辺が平行な矩形状である。よって、図５に示すように、マイクロ波がその進行方向と垂直な壁面１６において、入射された方向と鏡面方向に反射される。図６は、このような断面が矩形状の断面を有する伝搬領域におけるマイクロ波の電界強度分布である。この図は、マイクロ波の進行方向と垂直な壁面１６で反射されたマイクロ波が、中央部に偏っておらず全体として均一な電界強度分布となることを示している。さらに、矩形誘電体１５のＹ方向及び／またはＸ方向の長さを矩形誘電体１５内の半波長の整数倍に設定することで、マイクロ波の定在波条件が満たされ、矩形誘電体１５内のマイクロ波が安定する。よって、矩形誘電体１５の端面での多重反射による波のうち消し合いが低減し、効率よく均一なプラズマを発生させることができる。
【００２２】
このように矩形誘電体１５の形状を設定することで、マイクロ波の電界強度分布が試料１２の処理面に沿って全体として均一となる。その均一なマイクロ波により均一にプラズマが発生し、このプラズマにより均一な薄膜形成が可能となる。また、ガスの流量・組成比等のプロセス条件の変更やメンテナンス等によるプロセス条件の変化が生じても、マイクロ波が伝播する領域の形状が対向する二辺が平行な矩形状であり、かつそのＹ方向及び／またはＸ方向の長さが定在波条件を満たすため、マイクロ波の電界強度分布が偏りにくい。よって、プロセスマージンを拡大することができる。
＜第１実施例＞
以下の図７〜図１１を参照し、第１実施形態例に係るプラズマ酸窒化装置について、第１実施例を挙げてより具体的に説明する。図７は第１実施例のプラズマ酸窒化装置の外観、図８は図７のＢ−Ｂ’を含む図中Ｘ軸に垂直な図７の装置の断面図、図９は図７に示すプラズマ酸窒化装置の要部の分解斜視図、図１０はＨ面スロットアンテナのスロット形状、図１１は図８のプラズマ酸窒化装置の要部とマイクロ波伝搬領域におけるＹ方向のマイクロ波の波長との関係を示している。なお図７または図９に示すように、矩形アンテナ誘電体３４、矩形封止誘電体３８及び矩形処理室２５ｂの試料１２の処理面に沿う断面において、二組の対向する平行な二辺と同一なそれぞれの方向をＸ方向及びＹ方向とし、Ｘ、Ｙ方向と垂直な方向をＺ方向とする。
［全体構成］
本実施例に係るプラズマ酸窒化装置は、矩形導波管２０、Ｈ面スロットアンテナ３０及び試料１２の処理面に沿う断面が矩形状のチャンバ（以下、矩形チャンバ）２５を有している。また、矩形チャンバ２５には、試料１２の処理面に沿う断面が長方形状または正方形状の処理室（以下、矩形処理室）２５ｂと、矩形処理室２５ｂを覆い、試料１２の処理面に沿う断面が正方形状または長方形状のチャンバ蓋（以下、矩形チャンバ蓋）２５ａとが設けられている。
【００２３】
矩形チャンバ蓋２５ａは、図９に示すように、上から順にそれぞれ矩形アンテナ誘電体３４、スロット３６ａが設けられた、試料１２の処理面に沿う断面が矩形状のスロット板（以下、矩形スロット板）３６及び矩形封止誘電体３８を有している。矩形アンテナ誘電体３４及び矩形封止誘電体３８の試料１２の処理面に沿う断面は、正方形状または長方形状である。矩形アンテナ誘電体３４上には、試料１２の処理面に沿う断面が長方形状または正方形状のＨ面スロットアンテナ３０が載置されており、このＨ面スロットアンテナ３０により矩形導波管２０から矩形アンテナ誘電体３４にマイクロ波が導入される。矩形処理室２５ｂには、試料台１１が設けられており、試料台１１上には、試料１２が載置されている。
【００２４】
Ｈ面スロットアンテナ３０は、図１０に示すように上部３０ａ、側部３０ｂ及び底部３０ｃを有している。底部３０ｃつまりＨ面スロットアンテナ３０のＨ面には、Ｈ面スロットアンテナ３０のＹ方向に沿って、長方形状のスロット３０ｄが形成されている。Ｈ面スロットアンテナ３０上部には矩形導波管２０が接続されている。
本実施例の矩形アンテナ誘電体３４のＸ方向の長さＬ_34X及び矩形封止誘電体３８のＸ方向の長さＬ_38X及び／またはＹ方向の長さＬ_38Yは、それぞれのマイクロ波伝搬領域を伝搬するマイクロ波の波長λの半分（λ／２）の整数倍に設定されている。つまり、それぞれのＸ方向及び／またはＹ方向の長さを、実質的に次式（１０）、（１１）及び／または（１２）を満たすように設定する。
Ｌ_34X＝ｎ_34X×（λ₃₄／２） …（１０）
Ｌ_38X＝ｎ_38X×（λ₃₈／２） …（１１）
Ｌ_38Y＝ｎ_38Y×（λ₃₈／２） …（１２）
ここで、λ₃₄は矩形アンテナ誘電体３４内のマイクロ波の波長、λ₃₈は矩形封止誘電体３８内のマイクロ波の波長、ｎ_34X、ｎ_38X及びｎ_38Yは１以上の整数である。また、波長λ₃₄及び波長λ₃₈は、矩形アンテナ誘電体３４及び矩形封止誘電体３８のＸ方向及びＹ方向の長さがそれぞれの誘電体内を伝搬する波長に対して十分に大きい場合、前記式（９）と同様に下記式（１３）、（１４）で表される。
【００２５】
【数２】

ここで、λ＝自由空間波長、ε_r34＝矩形アンテナ誘電体３４の比誘電率、ε_r38＝矩形封止誘電体３８の比誘電率である。その他の構成は、前記第１実施形態例と同様である。
また、同様にして矩形アンテナ誘電体３４のＹ方向の長さ、及び矩形アンテナ誘電体３４と矩形封止誘電体３８のＺ方向の長さを同様に設定することができる。
【００２６】
以下に、本実施例に係るプラズマ酸窒化装置の各部について詳細に説明する。
［矩形アンテナ誘電体］
長方形状または正方形状に形成されている矩形アンテナ誘電体３４は、マイクロ波の電界強度分布を均一化する。また、矩形アンテナ誘電体３４は、矩形処理室２５ｂとの間に設けられた矩形スロット板３６によって、矩形アンテナ誘電体３４内のマイクロ波と矩形処理室２５ｂ内のプラズマにより反射されたマイクロ波との結合を抑制されている。そのため、矩形アンテナ誘電体３４内を伝搬するマイクロ波はプラズマの影響を受けにくく、マイクロ波の電界強度分布が均一化し易い。さらに、矩形アンテナ誘電体３４のＸ方向及び／またはＹ方向の長さが、マイクロ波の定在波条件を満たすように設定されているため、矩形アンテナ誘電体３４内のマイクロ波が安定する。よって、マイクロ波の電界強度分布が均一となる。
［矩形封止誘電体］
矩形封止誘電体３８は、長方形状または正方形状に形成されており、矩形スロット板３６より導入されたマイクロ波の電界強度分布の均一性を保持したままあるいはさらに高め、矩形封止誘電体３８下方の矩形処理室２５ｂにプラズマを発生させるための電界を形成する。また、矩形封止誘電体３８は、真空状態の矩形処理室２５ｂを大気から隔離し、清浄空間に保つ。また、矩形封止誘電体３８のＸ方向及び／またはＹ方向の長さが、マイクロ波の定在波条件を満たすように設定されているため、矩形封止誘電体３８内のマイクロ波が安定する。よって、マイクロ波の電界強度分布が均一となる。
［矩形処理室］
矩形処理室２５ｂでは、矩形封止誘電体３８内のマイクロ波により電界が形成される。矩形封止誘電体３８から均一なマイクロ波が導入されているため、矩形処理室２５ｂ内では均一なプラズマが発生する。このプラズマにより励起・活性化されたガス分子によって、均一な薄膜が試料１２上に形成される。矩形処理室２５ｂは、その中で発生したプラズマによりマイクロ波が反射・吸収されるため通常マイクロ波が伝搬する領域ではない。よって、矩形処理室２５ｂの試料１２処理面に沿う方向の断面は必ずしも長方形状または正方形状である必要はない。ただし、マイクロ波が完全に吸収されずに矩形処理室２５ｂ内を伝搬する場合もあるので、不均一なマイクロ波によりプラズマの均一性が乱されないように矩形処理室２５ｂの試料１２処理面に沿う断面を長方形状または正方形状とするのが好ましい。このようにすることで、プラズマの均一性をさらに高め、より均一な薄膜を形成することができ、また均一なプラズマを得るためのプロセスマージンを広げることができる。
【００２７】
また、矩形アンテナ誘電体３４及び矩形封止誘電体３８と同様に、矩形処理室２５ｂのＸ方向及び／またはＹ方向の長さを、実質的に、矩形処理室２５ｂ内のマイクロ波の波長の半波長の整数倍を満たすように設定すると好ましい。矩形処理室２５ｂには、前述の通りマイクロ波も存在しうるので、矩形処理室２５ｂ内を伝搬するマイクロ波による多重反射がプラズマに与える影響を低減するために、矩形処理室２５ｂのＹ方向の長さを上記のように設定するのが好ましい。このようにすることで、プラズマの均一性をさらに高め、より均一な薄膜を形成することができ、また均一なプラズマを得るためのプロセスマージンを広げることができる。
［矩形スロット板］
矩形スロット板３６は、矩形アンテナ誘電体３４から導入されるマイクロ波の電界強度分布の均一性を、スロット３６ａにより保持したままあるいはさらに高める。また、矩形処理室２５ｂで発生されるプラズマの影響が、矩形アンテナ誘電体３４に及ぶのを抑制している。矩形スロット板３６は、必ずしも試料１２の処理面に沿う断面が長方形状または正方形状である必要はなく、矩形アンテナ誘電体３４、矩形封止誘電体３８及び矩形処理室２５ｂを覆う形状であれば良く、例えば円形状であっても良い。
【００２８】
スロット３６ａは、矩形封止誘電体３８内でのマイクロ波分布に応じて、その傾斜角度を変更することもできる。つまり、試料１２の処理方法や装置の処理条件などに応じて矩形封止誘電体３８内でのマイクロ波のＸ方向の伝搬成分とＹ方向の伝搬成分との比を考慮し、スロット３６ａの傾斜角度を変更する。
［Ｈ面スロットアンテナ］
Ｈ面スロットアンテナ３０は、図１０に示すように底部３０ｃにＨ面スロットアンテナ３０のＹ方向に沿って、一定間隔毎に長方形状のスロット３０ｄを有している。よって、矩形アンテナ誘電体３４、矩形スロット板３６、矩形封止誘電体３８によりマイクロ波を均一化するとともに、マイクロ波の電界強度分布の均一性を高めるのに有効である。ここでは、アンテナとしてＨ面スロットアンテナを用いているが、Ｅ面スロットアンテナ、円形導波管、同軸導波管、スロット以外の結合素子等を使用することもできる。なかでも、断面が長方形状または正方形状のスロットアンテナを使用した場合には、一点に大電力が集中することがなく、発熱・異常放電等の特性変動が生じにくい。また、スロットアンテナが長方形状または正方形状であるため、矩形アンテナ誘電体３４に固定し易く特性変動が生じにくいため、均一なプラズマを発生させることができる。
【００２９】
Ｈ面スロットアンテナ３０は、少なくとも１カ所に設置すればよいが、大口径な試料を処理する大型な装置に対応させて、複数個設けたり、分岐させて誘電体にマイクロ波を導入するようにしても良い。このとき、偶数個設けるようにすると設計が容易で好ましい。さらに２ⁿ（ｎは自然数）個設けるようにするとより好ましい。
［矩形チャンバ］
矩形チャンバ２５は、矩形アンテナ誘電体３４、矩形封止誘電体３８等にあわせて試料１２の処理面に沿う断面を矩形状に形成すると電気的・構造的な不整合が少なくなるので好ましい。ただし、プラズマが発生した際には、矩形チャンバ２５内ではマイクロ波がプラズマに反射・吸収され、マイクロ波の伝搬領域ではなくなるため矩形状でなくても良い。
［効果］
本実施例に係るプラズマ酸窒化装置は、試料１２の処理面に沿う面方向にマイクロ波を伝搬させる領域、すなわち矩形アンテナ誘電体３４及び矩形封止誘電体３８が長方形状または正方形状を有しており、かつ各誘電体のＸ方向及び／またはＹ方向の長さがマイクロ波の定在波条件を満たすように設定されているので、各誘電体内のマイクロ波が安定する。よって、均一かつ高い効率でプラズマを発生させることができ、また、ガスの流量・組成比等プロセスマージンを拡大することができる。
【００３０】
また、矩形アンテナ誘電体３４により電界強度分布が均一化されたマイクロ波が、矩形スロット板３６を介して均一に矩形封止誘電体３８に導入され、矩形封止誘電体３８によりさらに均一性が高められる。
同様の理由により、矩形スロット板３６、Ｈ面スロットアンテナ３０、矩形導波管２０もマイクロ波の定在波条件を満たすように長さを設定されていると好ましい。
＜第２実施例＞
以下に、第１実施形態例に係るプラズマ酸窒化装置について、第１実施例で用いた図を再び用い、第２実施例を説明する。ただし、第２実施例に係るプラズマ酸窒化装置は、以下に記載の誘電率以外については、第１実施例と同様の構成を有している。第１実施例の構成に加えて、さらに矩形アンテナ誘電体３４及び矩形封止誘電体３８を同一物質で形成するか、あるいは同程度の比誘電率を有する物質で形成する。各誘電体内のマイクロ波の波長は、大口径チャンバにおいては、前記式（１３）、（１４）で表され、比誘電率ε_rにより変化する。よって、比誘電率ε_rが同程度であると波長λ₃₄、λ₃₈が同程度となり、矩形アンテナ誘電体３４及び矩形封止誘電体３８のＹ方向の長さを揃えることができ、より現実的な設計が可能となる。
＜第３実施例＞
以下に、第１実施形態例に係るプラズマ酸窒化装置について、第１実施例で用いた図を再び用い、第３実施例を説明する。ただし、第３実施例に係るプラズマ酸窒化装置は、以下に記載の矩形処理室２５ｂ以外については、第１実施例と同様の構成を有している。
【００３１】
第１実施例または第２実施例の構成に加えて、さらに矩形アンテナ誘電体３４内部でのマイクロ波の波長λ₃₄及び矩形封止誘電体３８の内部でのマイクロ波の波長λ₃₈の位相が図１１に示すように互いに概ね一致している。つまり、実質的に、λ₃₄／２＝ｍ（１／２）λ₃₈を満たすように誘電体の材質または長さを設定する。ここで、λ₃₄は矩形アンテナ誘電体３４内のマイクロ波の波長、λ₃₈は矩形封止誘電体３８内のマイクロ波の波長、ｍは１以上の整数である。このようにすることで、それぞれの誘電体内を伝搬するマイクロ波がお互いに干渉して減衰するのを防止することができ、均一なプラズマを発生させることができる。同じ理由から、矩形アンテナ誘電体３４、矩形封止誘電体３８及び矩形処理室２５ｂの内部を伝搬する全てのマイクロ波の波長の位相が互いに概ね一致している、つまり、実質的に、λ₃₄／２＝ｍ（１／２）、λ₃₈＝ｋ（λ₂₅／２）を満たすように設定すると好ましい。ここで、λ₂₅は矩形処理室２５ｂ内のマイクロ波の波長、ｋは１以上の整数である。
＜その他の実施形態例＞
（Ａ）本発明は、シリコンプロセス以外の化合物、ＦＰＤ（Ｆｌａｔ Ｐａｎｅｌ Ｄｉｓｐｌａｙ）プロセス等に適用可能である。また、プラズマを用いないマイクロ波照射装置、マイクロ波加熱装置等にも適用可能である。
（Ｂ）前記実施例は、必要に応じて組み合わせて用いることができる。
【００３２】
【発明の効果】
本発明を用いれば、試料の処理面に対して均一な処理を施すことができるプラズマ処理装置を提供することができる。
また、本発明を用いれば、プロセスマージンを拡大することができ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】
【図１】第１実施形態例に係るプラズマ酸窒化装置の外観図。
【図２】Ａ−Ａ’を含む試料の処理面に垂直な方向における図１の装置の断面図。
【図３】図１に示すプラズマ酸窒化装置の要部の分解斜視図。
【図４】矩形誘電体１５におけるマイクロ波の波長を示す説明図。
【図５】垂直な壁面におけるマイクロ波の進行方向を示す図。
【図６】長方形状または正方形状の伝搬領域におけるマイクロ波の電界強度分布図。
【図７】第１実施例のプラズマ酸窒化装置の外観図。
【図８】図７のＢ−Ｂ’を含む図中Ｘ軸に垂直な図７の装置の断面図。
【図９】図７に示すプラズマ酸窒化装置の要部の分解斜視図。
【図１０】Ｈ面スロットアンテナのスロット形状。
【図１１】図８のプラズマ酸窒化装置の要部とマイクロ波伝搬領域におけるマイクロ波の波長との関係を示す説明図。
【図１２】円筒形状の壁面におけるマイクロ波の進行方向を示す図。
【図１３】円筒形状の伝搬領域におけるマイクロ波の電界強度分布図。
【符号の説明】
１ マイクロ波発生器
２、２０ 矩形導波管
３ 同軸アンテナ
４ チャンバ
４ａ 矩形チャンバ蓋
４ｂ 円形処理室
１２ 試料
１５ 矩形誘電体
２５ 矩形チャンバ
２５ａ 矩形チャンバ蓋
２５ｂ 矩形処理室
３０ Ｈ面スロットアンテナ
３４ 矩形アンテナ誘電体
３６ 矩形スロット板
３８ 矩形封止誘電体

Claims (7)

1. 反応器内の試料にプラズマ処理を行うプラズマ処理装置であって、
   マイクロ波を発生するマイクロ波発生手段と、
   前記マイクロ波発生手段に接続され、前記試料の処理面に沿う断面の対向する二辺が平行な矩形状である第１誘電体と、
   前記マイクロ波により前記反応器内に発生するプラズマを用いて前記試料を処理する処理手段とを有し、
   前記試料の処理面に沿う方向における、前記第１誘電体の対向する二辺の間隔Ｌ_d1は、実質的に下記式（１）を満たすプラズマ処理装置
   Ｌ_d1＝ｎ_d1（λ₁／２） …（１）
   ここで、λ₁：前記第１誘電体内のマイクロ波の波長
   ｎ_d1：１以上の整数。
2. 前記第１誘電体の対向する二組の二辺の間隔Ｌ_d1a及びＬ_d1bは、実質的に下記式を満たす、請求項１に記載のプラズマ処理装置
   Ｌ_d1a＝ｎ_d1a（λ₁／２）、Ｌ_d1b＝ｎ_d1b（λ₁／２）
   ここで、λ₁：前記第１誘電体内のマイクロ波の波長、
   ｎ_d1a、ｎ_d1b：１以上の整数。
3. 前記反応器と前記第１誘電体との間に設けられ、少なくとも一つのスロットが形成されており、前記第１誘電体内のマイクロ波の電界強度分布の均一性を保持またはさらに高めるスロット板と、
   前記スロット板と前記反応器との間に設けられ、前記試料の処理面に沿う断面の対向する二辺が平行な矩形状であり、前記スロット板から供給されるマイクロ波の電界強度分布の均一性を保持またはさらに高める第２誘電体とをさらに有し、
   前記試料の処理面に沿う方向における、前記第２誘電体の対向する二辺の間隔Ｌ_d2は、実質的に下記式（２）を満たす、請求項１に記載のプラズマ処理装置
   Ｌ_d2＝ｎ_d2（λ₂／２） …（２）
   ここで、λ₂：前記第２誘電体内のマイクロ波の波長
   ｎ_d2：１以上の整数。
4. 前記反応器は、前記試料の処理面に沿う断面の対向する二辺が平行な矩形状であり、かつ前記反応器の対向する二辺の長さＬ_Pは、実質的に下記式（３）を満たす、請求項１または３に記載のプラズマ処理装置
   Ｌ_P＝ｎ_P（λ_P／２） …（３）
   ここで、λ_P：前記反応器内のマイクロ波の波長
   ｎ_P：１以上の整数。
5. 前記第１誘電体及び前記第２誘電体の各々の比誘電率は実質的に同一である、請求項３に記載のプラズマ処理装置。
6. 前記第１誘電体内のマイクロ波の波長λ₁と前記第２誘電体内のマイクロ波の波長λ₂とが、実質的に下記式（４）を満たす、請求項３に記載のプラズマ処理装置
   λ₁／２＝ｍ（１／２）λ₂ …（４）
   ここで、λ₁：前記第１誘電体内のマイクロ波の波長
   λ₂：前記第２誘電体内のマイクロ波の波長
   ｍ：１以上の整数。
7. 前記第１誘電体内のマイクロ波の波長λ₁、前記第２誘電体内のマイクロ波の波長λ₂及び前記反応器内のマイクロ波の波長λ_Pが、実質的に下記式（５）及び（６）を満たす、請求項３に記載のプラズマ処理装置
   λ₁／２＝ｍ（１／２）λ₂ …（５）
   λ₁／２＝ｋ（１／２）λ_P …（６）
   ここで、λ₁：前記第１誘電体内のマイクロ波の波長
   λ₂：前記第２誘電体内のマイクロ波の波長
   λ_P：前記反応器内のマイクロ波の波長
   ｍ、ｋ：１以上の整数。

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