JP5036092B2 - マイクロ波プラズマ処理装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、大口径半導体基板、大型液晶ディスプレイ(LCD)用ガラス基板等に、プラズマを用いたエッチング、アッシング、ＣＶＤ（化学蒸着）等の処理を施すのに好適な、マイクロ波プラズマ処理装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＬＳＩ（大規模集積回路）、ＬＣＤ（液晶ディスプレイ）などを製造するプロセスにおいて、反応ガスに外部からエネルギーを与えた際に発生するプラズマが、広く用いられている。特に、プラズマを用いたドライエッチング技術は、これらのプロセスにおいて、不可欠の基本技術となっている。
【０００３】
一般に、プラズマを発生させるための励起手段としては、2.45GHzのマイクロ波を用いる場合と、13.56MHzのＲＦ（高周波：Radio Frequency）を用いる場合とが知られている。マイクロ波を用いる場合には、ＲＦを用いる場合に比べて、高密度のプラズマが得られるとともに、プラズマを発生させるのに電極を必要としないため、電極からのコンタミネーションを防ぐことができるなどの利点がある。
【０００４】
しかしながら、マイクロ波を用いた従来のプラズマ処理装置では、プラズマ領域面積が広く、かつプラズマ密度が均一になるようにプラズマを発生させることが困難であった。したがって、大口径の半導体基板（半導体ウェハ）、または、大型のＬＣＤ用ガラス基板の処理等において、マイクロ波を用いたドライエッチング処理を採用するのは困難とされていた。
【０００５】
この点に関し、大面積に均一にマイクロ波プラズマを発生させることが可能なプラズマ処理装置として、表面波電界励起プラズマを利用する方式が提案されており、例えば、特開昭62-5600号公報、特開昭62-99481号公報において開示されている。このプラズマ処理装置は、処理容器の上部壁をマイクロ波の透過が可能な耐熱性板で封止し、その上方にはマイクロ波導波管に接続された誘電体線路を配置している。そして誘電体線路の表面から漏れ出た表面波電界により、プラズマが発生する。
【０００６】
図２８は前者のプラズマ処理装置の側断面図であり、図２９は図２８に示した装置の平面図である。この装置１５０では、金属製導体により構成された処理容器８１の上部に、誘電体のマイクロ波導入板８４が設けられ、これらによって処理室８２は気密状態に封止されている。マイクロ波導入板８４の材料には、耐熱性及びマイクロ波透過性に優れ、かつ誘電損失が低い、石英、アルミナ（Al₂O₃）等が採用されている。図２９の例では、処理容器８１（図示を略する）の平面断面形状は矩形であり、それにともなって、マイクロ波導入板８４も矩形の板状に形成されている。すなわち、矩形のマイクロ波導入板８４の直下に、平面視輪郭が矩形の処理室８２（図示を略する）が形成されている。
【０００７】
更に処理容器８１には、処理容器８１及びマイクロ波導入板８４の上部を覆うカバー部材９０が連結されており、カバー部材９０とマイクロ波発振器７０との間には、導波管７１が連結されている。そして、カバー部材９０内の天井部分には、マイクロ波導入板８４との間にエアギャップ９３を確保しつつ、誘電体線路９１が取り付けられている。この誘電体線路９１は、導波管７１の幅から処理容器８１を覆う程度の幅まで広がるテーパ部９１ａを有する平面視略５角形に形成されている。誘電体線路９１の材料として、例えば、テフロン（登録商標）などのフッ素樹脂、ポリエチレン樹脂、ポリスチレン樹脂、または、石英などが採用され、好ましくは、フッ素樹脂が用いられる。
【０００８】
処理容器８１内にはマイクロ波導入板８４とは対向する位置に、試料基板Ｗを載置するための試料台８３が配設されており、これにはマッチング回路８６を介してＲＦバイアス回路８７が接続されている。また処理容器８１の下部壁には図示しない排気装置に接続される排気口８８が形成され、処理容器８１の一側壁には所要の反応ガスを供給するためのガス供給管８５が接続されている。
【０００９】
このように構成されたプラズマ処理装置１５０を用いて、試料台８３の上に載置された試料基板Ｗに、所定の処理を施す場合には、まず、排気口８８から排気を行って処理室８２内を所要の真空度に設定した後、ガス供給管８５から反応ガスを供給する。次いで、マイクロ波発振器７０においてマイクロ波（例えば、300MHz〜30GHzの波長を有する電磁波）を発生させ、導波管７１を介して、マイクロ波を拡げるためのテーパ部９１ａを含む誘電体線路９１へと導入する。
【００１０】
すると、誘電体線路９１の下方に漏れ電界が形成され、形成された電界が、エアギャップ９３およびマイクロ波導入板８４を透過して、さらにマイクロ波導入板８４の下部に形成される。言い換えると、導波管７１から誘電体線路９１へ導入されたマイクロ波が、マイクロ波導入板８４を介して処理室８２へと、さらに導入される。
【００１１】
処理室８２へ導入されるマイクロ波によって、処理室８２にプラズマが生成され、試料基板Ｗの表面に対して、例えばエッチング等の処理がなされる。この際、必要に応じて試料台８３には、ＲＦバイアス回路８７によって、ＲＦバイアスが印加される。ＲＦバイアスによって処理室８２内に形成されるバイアス電位によって、プラズマ中のイオンが加速され、試料基板Ｗへと導かれ、それによって、試料基板Ｗの表面に、例えば、異方性エッチングを施すことが可能となる。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、真空容器内へマイクロ波を導入し、カットオフ密度以上の高密度プラズマを形成するメカニズムが、最近になって明らかとなってきた。すなわち、永津と菅井は、文献１：「Journal of Plasma and Fusion Research, Vol. 74, No. 5 (1998), pp. 479-490」の中で、誘電体を介して真空容器内へ導入されたマイクロ波は、生成されるプラズマの密度がカットオフ密度以上であるときには、誘電体とプラズマとの間の界面に沿って、表面波として伝搬することを報告している。しかも、この表面波の伝搬モードは、電子密度（電子密度で測ったプラズマ密度）、マイクロ波周波数、および、真空容器のサイズ等によって決まると報告されている。
【００１３】
真空容器である処理室８２へマイクロ波を導入することによりプラズマを生成する際には、マイクロ波のパワーの増加にともなってプラズマ密度は高まる。プラズマ密度がカットオフ密度以下である場合には、マイクロ波は、処理室８２に形成されたプラズマの中を減衰しながら伝搬する。しかし、プラズマ密度がカットオフ密度以上になると、マイクロ波は、誘電体であるマイクロ波導入板８４と、プラズマとの間の界面を、伝搬するようになる。そして、このマイクロ波によって、マイクロ波導入板８４の直下の処理室８２の全域にわたって、プラズマが形成される。マイクロ波導入板８４と、カットオフ密度以上のプラズマとの界面に沿って、伝搬するマイクロ波は、プラズマ表面波と称される（プラズマの伝搬形態ではなく、マイクロ波の伝搬形態を表現したものであり、本明細書では、単に「表面波」とも称する）。
【００１４】
表面波では、マイクロ波の周波数、プラズマ密度、処理室８２の形状とサイズ、マイクロ波導入板８４の形状とサイズ、マイクロ波導入板８４の誘電率等により、励起される伝搬モードが決定される。この伝搬モードについて、処理容器８１が円筒形状である場合を例として考察する。円筒形状の処理容器８１を備えるマイクロ波プラズマ処理装置は、例えば、図２８に示した装置１５０を、その平面図が図２９に代わって図３０で描かれるように、構成することによって実現する。図３０の例では、処理容器８１（図示を略する）の平面断面形状は円形であり、それにともなって、マイクロ波導入板８４も円形の板状に形成されている。すなわち、円形のマイクロ波導入板８４の直下に、平面視輪郭が円形の処理室８２（図示を略する）が形成されている。
【００１５】
図３０に例示される円筒形状の処理容器８１を有する装置は、図３１の斜視図で模式的に表現される。図３１が示すように、円柱形状の処理室８２の中心軸Ｃの位置を原点として、径方向の座標ｒ、および、方位角方向の座標θを定義することができる。マイクロ波MWは、マイクロ波導入板８４を介して、その上方から処理室８２へと導入される。このとき、マイクロ波導入板８４とプラズマ６８との界面に形成される表面波の各モードは、周方向および径方向のそれぞれに周期性を持っており、周方向の周期数に対応する整数ｍ（ｍ≧１）、および、径方向の周期数に対応する整数ｎ（ｎ≧１）によって、識別される。本明細書では、整数ｍを、周方向次数と称し、整数ｎを、径方向次数と称する。
【００１６】
図３２は、周方向次数ｍが４であり、径方向次数ｎが２であるモードを例示している。図３２において、白丸で囲まれた部分Ｐは、マイクロ波の電界が高い領域、すなわち、マイクロ波の「腹」の部位を表している。
【００１７】
マイクロ波導入板８４の直下に生成される表面波は、一般に、複数のモードの重ね合わせで表現される。図３１に数値を例示するように、マイクロ波の周波数が、2.45GHzであり、処理室８２の半径が150mm、そして、マイクロ波導入板８４が、比誘電率ε_d＝4.0の石英板として構成され、その厚さが20mmである例について、表面波のモードを計算すると、図３３のグラフが示す結果が得られる。計算では、プラズマの生成のために消費されるマイクロ波のエネルギーは、考慮されない。図３３のグラフは、励起される各モードが生成するプラズマの密度を表現しており、１本の水平な線分が、一つのモードに対応している。
【００１８】
図３３が示すように、表面波のモードはプラズマ密度に関して離散的である。しかしながら、ある領域では、プラズマ密度に関するモード間の間隔が密である。このことは、ある領域においては、無数の表面波の伝搬形式が存在することを意味している。このような無数の表面波が伝搬し得るプラズマ密度領域では、LSIが作り込まれる半導体基板、あるいは、LCDなどの試料基板Ｗをプラズマ処理する際に、処理に適しない不均一なプラズマが発生する可能性がある。それは、例えば、周方向次数ｍまたは径方向次数ｎが極端に小さい表面波に起因するプラズマである。このような表面波のモードが励起されると、マイクロ波導入板８４から十分離れた下方に、試料基板Ｗを置かなければ、均一な処理は望めない。
【００１９】
半導体基板等の試料基板Ｗの処理に好適なプラズマ密度の領域は、約7.5×10¹⁰cm^-3〜約5×10¹²cm^-3の範囲（図３３の領域Ａ）であり、中でも、約5×10¹¹cm^-3〜約1×10¹²cm^-3の範囲（図３３の領域Ｂ）が、特に有用な範囲として利用に供されている。領域Ａでは、表面波のモードが密集しており、中でも、領域Ｂでは最も高い密度で表面波のモードが集中している。このように、有用性の高いプラズマ密度の領域と、無数の表面波のモードが存在し得るプラズマ密度の領域とは、奇しくも互いに重複している。このため、無数の表面波が励起される現象を抑制することは、実用上、重要な課題となっている。
【００２０】
この発明は、従来の装置における上記した問題点を解消するためになされたもので、励起される表面波のモードを制限し、それによって、プラズマ処理の均一性を高め得るマイクロ波プラズマ処理装置を提供することを目的とする。
【００２１】
【課題を解決するための手段】
本発明の装置は、導電性のカバー部材に内挿された誘電体からなる誘電体線路に導入されるマイクロ波を、処理対象である試料を収納可能な処理室へ、誘電体のマイクロ波導入板を介して導入することにより、マイクロ波が表面波として伝搬するプラズマを前記処理室に生成し、当該プラズマを用いて前記試料に処理を行うためのプラズマ処理装置であって、前記マイクロ波導入板の前記処理室側の主面に沿って、前記マイクロ波導入板と同一部材から成り、等間隔で配列する複数の線状突起が、前記処理室に導入された前記マイクロ波のスキンデプス以上となる２．４ｍｍ以上の高さで配設されており、該複数の線状突起により、励起される表面波のモードを制限し、プラズマ処理の均一性を高めたことを特徴とする。
【００２２】
本発明の装置では、上述のいずれかの発明のマイクロ波プラズマ処理装置において、前記線状突起が、前記マイクロ波導入板と一体成型加工されている。
【００２３】
本発明の装置では、上述のいずれかの発明のマイクロ波プラズマ処理装置において、前記高さが、５．３ｍｍ以上である。
【００２４】
本発明の装置では、上述のいずれかの発明のマイクロ波プラズマ処理装置において、前記複数の線状突起の頭部表面を被覆する導体薄膜を備える。
【００２７】
本発明の装置では、上述のいずれかの発明のマイクロ波プラズマ処理装置において、前記マイクロ波導入板の前記主面に沿った、前記処理室の輪郭形状が略円形であり、前記複数の線状突起が、前記略円形の径方向に沿って延在し、かつ、方位角方向に沿って等間隔で配列している。
【００２８】
本発明の装置では、上述のいずれかの発明のマイクロ波プラズマ処理装置において、前記マイクロ波導入板の前記主面に沿った、前記処理室の輪郭形状が略円形であり、前記複数の線状突起が、前記略円形の中心から周囲へと同心円状に等間隔で配列している。
【００２９】
本発明の装置では、上述のいずれかの発明のマイクロ波プラズマ処理装置において、前記マイクロ波導入板の前記主面に沿った、前記処理室の輪郭形状が略円形であり、前記複数の線状突起が、前記略円形の中心から周囲へと同心円状に等間隔で配列する部分と、これに交差するように前記略円形の径方向に沿って延在し、かつ、方位角方向に沿って等間隔で配列する部分とを含んでいる。
【００３０】
本発明の装置では、上述のいずれかの発明のマイクロ波プラズマ処理装置において、前記マイクロ波導入板の前記主面に沿った、前記処理室の輪郭形状が略矩形であり、前記複数の線状突起が、前記略矩形の一辺に沿って延在し、かつ、交差する他の一辺に沿って等間隔で配列している。
【００３１】
本発明の装置では、上述のいずれかの発明のマイクロ波プラズマ処理装置において、前記マイクロ波導入板の前記主面に沿った、前記処理室の輪郭形状が略矩形であり、前記複数の線状突起が、前記略矩形の交差する二辺に沿って格子状に等間隔で配列している。
【００３２】
【発明の実施の形態】
＜1.実施の形態１＞
図１は、実施の形態１のマイクロ波プラズマ処理装置の側断面図である。以下の図において、図２８〜図３０に示した装置１５０と同一部分または相当部分（同一の機能をもつ部分）については、同一符号を付してその詳細な説明を略する。図１の装置１０１は、マイクロ波導入板８４の下主面、すなわち、処理室８２に対向する主面に、複数の導体の線状突起２１が配設されている点において、装置１５０とは特徴的に異なっている。
【００３３】
線状突起２１は、マイクロ波導入板８４の主面に沿って、等間隔で配列する。線状突起２１のパターンとして、様々な形態を採ることができる。図２および図４〜図７は、線状突起２１が、パターニングされ一体的に連結した導体板６０の一部として形成されている例を示す。線状突起２１を導体板６０の一部として形成することによって、線状突起２１の形成と、配設とが容易であるという利点が得られる。導体板６０の材料として、例えば、金属が採用され、好ましくは、軽量で導電性に優れるアルミニウムが用いられる。
【００３４】
導体板６０は、装置１０１が円筒形状の処理容器８１を備えるとき、図２、図４、または、図５に示された構造を採り、装置１０１の平面図は、図３０と同一に描かれる。一方、図６および図７が例示する導体板６０は、装置１０１が、平面断面形状が矩形の処理容器８１を備えるときに用いられる。このとき、装置１０１の平面図は、図２９と同一に描かれる。
【００３５】
図２に例示する導体板６０では、複数の線状突起２１が中心軸Ｃの位置を原点とする径方向に沿って延在し、しかも、方位角方向に沿って、等間隔で配列している。線状突起２１は、その両側に、開口部としてのスロット６１を規定する。隣り合う任意の二つの線状突起２１について、それらの直線的な間隔は、座標ｒの値が大きいほど拡大するが、本明細書では、座標θで測った間隔が等しい関係にあるものも含めて「等間隔」と表現する。
【００３６】
マイクロ波導入板８４を透過するマイクロ波は、線状突起２１を避けて通過する（言い換えると、スロット６１を選択的に通過する）ことにより、処理室８２へと導入される。このため、マイクロ波導入板８４の直下を表面波として伝搬するマイクロ波のモードに、線状突起２１のパターンに対応した選択性が現れる。すなわち、線状突起２１は、マイクロ波の「節」（図３２の白丸で囲まれた部分Ｐの谷間に相当する部位）の位置が、線状突起２１の位置に一致するモードを選択的に通過させる。このため、形成されるプラズマの密度が安定するとともに、その均一性が高められる。
【００３７】
図２に例示する導体板６０では、線状突起２１は、半周にわたって８個形成されている。このため、周方向次数ｍが８である表面波のモードが、他のモードに比べて、高い強度で形成される。表面波のモードに対するこのような選択性は、線状突起２１の高さＨにも依存する。線状突起２１の高さＨは、導体板６０の厚さに相当する。
【００３８】
図３は、表面波のモードに対する選択性と高さＨとの関係を説明するための、マイクロ波導入板８４および線状突起２１の縦断面図である。マイクロ波導入板８４とプラズマとの界面に沿って形成される表面波は、プラズマとマイクロ波導入板８４との間に形成されるイオンシースと、表面波がプラズマ中を伝搬するときの表皮厚さ（スキンデプスと称される）ＳＤとを、足し合わせた程度の幅をもって伝搬する。
【００３９】
プラズマの密度が、実用的な領域Ａ（図３３）の範囲にあるときには、イオンシースの厚さは高々0.5mm程度であるのに対して、スキンデプスＳＤは、約2.4mm〜約20mmの範囲にあり、さらに、プラズマ密度が領域Ｂの範囲にあるときには、スキンデプスＳＤは、約5.3mm〜約7.5mmの範囲にある。したがって、プラズマ密度が実用的な範囲にあるときには、図３が示すように、表面波の幅は、主要には、スキンデプスＳＤによって規定される。
【００４０】
したがって、図３(a)が示すように、線状突起２１の高さＨが、スキンデプスＳＤよりも小さいときには、表面波には、線状突起２１で隔てられるスロット６１に局在する成分６３だけでなく、線状突起２１の下方に漏れ出て、線状突起２１の規制を余り受けない成分６４が存在する。その結果、成分６４には、線状突起２１に対応したモード（図２のスロット６１の例では周方向次数ｍが８のモード）だけでなく、その他のモードも混在する。
【００４１】
これに対して、図３(b)が示すように、線状突起２１の高さＨが、スキンデプスＳＤに比べて十分に大きいときには、表面波には、スロット６１に局在する成分６３だけが存在する。すなわち、表面波として、「節」が線状突起２１の部位に位置するモード（図２のスロット６１の例では周方向次数ｍが８のモード）が、他のモードに比して、特に高い強度で形成される。
【００４２】
したがって、プラズマ密度の実用的な範囲が領域Ａ（図３３）であることを考慮すると、この領域に対応したスキンデプスＳＤの最小値である、約2.4mm以上に、高さＨを設定することが望ましい。イオンシースの厚さを考慮しても、高さＨが3.0mm以上であれば、線状突起２１が、表面波のモードに対する選択性を発揮する。プラズマ密度が、特に有用な範囲である領域Ｂに設定されるときには、高さＨは、この領域に対応したスキンデプスＳＤの最小値である、約5.3mm以上に設定されるのが望ましい。以上の高さＨに関する好ましい範囲は、以下の図４〜図７に例示する各導体板６０においても共通する。
【００４３】
図４に例示する導体板６０では、複数の線状突起２１が、中心軸Ｃの位置から周囲へと同心円状に等間隔で配列している。このため、この導体板６０は、表面波のモードの径方向次数ｎに対して、選択性を発揮する。図４に例示する導体板６０では、径方向次数ｎが３である表面波のモードが、他のモードに比べて、高い強度で形成される。図３２に示したように、中央部には腹（部分Ｐ）は位置しないので、図４の中央部の開口部は、径方向次数ｎに対する選択性に寄与しない。
【００４４】
図５に例示する導体板６０では、複数の線状突起２１が、中心軸Ｃの位置から周囲へと同心円状に等間隔で配列する部分と、これらに交差し、中心軸Ｃの位置を原点とする径方向に沿って延在し、しかも、方位角方向に沿って、等間隔で配列する部分とを、含んでいる。このため、この導体板６０は、表面波のモードの径方向次数ｎと周方向次数ｍの双方に対して、選択性を発揮する。
【００４５】
図６に例示する導体板６０では、複数の線状突起２１が、処理室８２の矩形の平面視輪郭の一辺（座標ｘの方向）に沿って帯状に延在し、しかも、交差する他の一辺（座標ｙの方向）に沿って等間隔で配列している。処理室８２の平面視輪郭が矩形であるときには、表面波の各モードは、座標ｘの方向および座標ｙの方向のそれぞれに周期性を持っており、座標ｘの方向の周期数に対応する整数（≧１；本明細書ではｘ方向次数と称する）、および、座標ｙの方向の周期数に対応する整数（≧１；本明細書ではｙ方向次数と称する）によって、識別される。
【００４６】
したがって、図６の導体板６０は、表面波のモードのｙ方向次数に対して、選択性を発揮する。図６に例示する導体板６０では、線状突起２１で隔てられるスロット６１が、座標ｙの方向に沿って６個形成されている。このため、ｙ方向次数が６である表面波のモードが、他のモードに比べて、高い強度で形成される。
【００４７】
図７に例示する導体板６０では、複数の線状突起２１が、座標ｘの方向および座標ｙの方向の双方に沿って、格子状に等間隔で配列している。このため、この導体板６０は、表面波のモードのｘ方向次数とｙ方向次数の双方に対して、選択性を発揮する。図７に例示する導体板６０では、線状突起２１は、スロット６１を、座標ｘの方向に沿って４個、座標ｙの方向に沿って６個規定している。このため、ｘ方向次数が４であり、ｙ方向次数が６である表面波のモードが、他のモードに比べて、高い強度で形成される。
【００４８】
＜2.実施の形態２＞
図８は、実施の形態２のマイクロ波プラズマ処理装置の側断面図である。図８の装置１０２は、マイクロ波導入板８４の下主面、すなわち、処理室８２に対向する主面に、複数の線状突起２２が形成されている点において、装置１５０（図２８〜図３０）とは特徴的に異なっている。マイクロ波導入板８４と線状突起２２とは、同一材料で形成され、互いに一体的に連結して、マイクロ波導入板６５を構成している。複数の線状突起２２は、マイクロ波導入板８４の主面に沿って等間隔で配列している。線状突起２２のパターンとして、実施の形態１で示した線状突起２１と同様に、様々な形態を採ることができる。その例を、以下に示す。
【００４９】
以下の図９〜図１１、および、図１４が例示するマイクロ波導入板６５は、装置１０２が、円筒形状の処理容器８１を備えるときに用いられる。このとき、装置１０２の平面図は、図３０と同一に描かれる。一方、図１２および図１３が例示するマイクロ波導入板６５は、装置１０２が、平面断面形状が矩形の処理容器８１を備えるときに用いられる。このとき、装置１０２の平面図は、図２９と同一に描かれる。
【００５０】
図９に例示するマイクロ波導入板では、複数の線状突起２２が、中心軸Ｃの位置を原点とする径方向に沿って延在し、しかも、方位角方向に沿って、等間隔で配列している。すなわち、図９の線状突起２２のパターンは、図２の線状突起２１のパターンに対応している。線状突起２２は、その両側に、溝６６を規定する。
【００５１】
マイクロ波導入板６５を透過するマイクロ波は、線状突起２２を避けて通過する（言い換えると、溝６６を選択的に通過する）ことにより、処理室８２へと導入される。このため、マイクロ波導入板６５の直下を表面波として伝搬するマイクロ波のモードに、線状突起２２のパターンに対応した選択性が現れる。このため、生成されるプラズマの密度が安定するとともに、その均一性が高められる。
【００５２】
図９に例示するマイクロ波導入板６５では、線状突起２２は、半周にわたって８個形成されている。このため、周方向次数ｍが８である表面波のモードが、他のモードに比べて、高い強度で形成される。このように、線状突起２２は、実施の形態１の導体板６０に形成された線状突起２１と同等に機能する。したがって、線状突起２２の高さＨに関する最適条件は、線状突起２１の高さＨに関する最適条件と同等となる。
【００５３】
以下の図１０〜図１３に例示する線状突起２２は、図４〜図７に例示する線状突起２１に対応した形状をそれぞれ有し、それぞれ同様の効果を奏する。すなわち、図１０に例示するマイクロ波導入板６５では、複数の線状突起２２が、中心軸Ｃの位置から周囲へと同心円状に等間隔で配列している。このため、このマイクロ波導入板６５は、表面波のモードの径方向次数ｎに対して、選択性を発揮する。
【００５４】
図１１に例示するマイクロ波導入板６５では、複数の線状突起２２が、中心軸Ｃの位置から周囲へと同心円状に等間隔で配列する部分と、これらに交差し、中心軸Ｃの位置を原点とする径方向に沿って延在し、しかも、方位角方向に沿って、等間隔で配列する部分とを、含んでいる。このため、このマイクロ波導入板６５は、表面波のモードの径方向次数ｎと周方向次数ｍの双方に対して、選択性を発揮する。
【００５５】
図１２に例示するマイクロ波導入板６５では、複数の線状突起２２が、座標ｘの方向に沿って帯状に延在し、しかも、座標ｙの方向に沿って等間隔で配列している。このマイクロ波導入板６５は、表面波のモードのｙ方向次数に対して、選択性を発揮する。図１３に例示するマイクロ波導入板６５では、複数の線状突起２２が、座標ｘの方向および座標ｙの方向の双方に沿って、格子状に等間隔で配列している。このため、このマイクロ波導入板６５は、表面波のモードのｘ方向次数とｙ方向次数の双方に対して、選択性を発揮する。
【００５６】
図１４に例示するマイクロ波導入板６５は、線状突起２２の頭部表面が、導体薄膜６９で被覆されている点において、図９に例示したマイクロ波導入板６５とは、特徴的に異なっている。言い換えると、図１４の線状突起２２は、図９に例示した線状突起２２と同等の誘電体部６７と、誘電体部６７の頭部表面を被覆する導体薄膜６９とを備えている。導体薄膜６９は、例えば、蒸着によって形成され、その材料として、例えば、アルミニウムが用いられる。
【００５７】
図１４のマイクロ波導入板６５では、導体薄膜６９が備わるので、表面波のモードに対する選択性が、さらに高められる。図９だけでなく、図１０〜図１３のそれぞれに対応して、導体薄膜６９を備えたマイクロ波導入板６５を構成することが可能であることは、言うまでもない。
【００５８】
＜3.変形例＞
(1)実施の形態１では、パターニングされ、しかも、一体的に連結された導体板６０の一部として、複数の線状突起２１が構成される例を示した。しかしながら、複数の線状突起２１のみを、マイクロ波導入板８４の主面に沿って配設することも可能であり、表面波のモードに対する選択性については、同等の効果が得られる。
【００５９】
(2)図１には、マイクロ波を、マイクロ波導入板８４を介して処理室８２へと導入するための誘電体線路９１が平面視略五角形に形成された例を示した。しかしながら、誘電体線路９１として、他の形態を採ることも可能である。図１５は、その一例に該当するマイクロ波プラズマ処理装置の側断面図であり、図１６はその平面図である。図１５は、図１６のＡ−Ａ切断線に沿った断面図に相当する。この装置１０３は、誘電体線路として、環状の誘電体線路１２ａが設けられている点において、装置１０１とは特徴的に異なっている。
【００６０】
マイクロ波導入板８４の上面及び外周面は、導電性金属を円形蓋状に成形してなるカバー部材１０で覆われており、該カバー部材１０は、処理容器８１の上に固定されている。カバー部材１０の上面には、導電性金属で構成され、試料台８３に対向する環状の溝が形成された環状溝部材５１と、その外周の一部に連結し、直状の溝が形成された直状溝部材５２とが配設されている。
【００６１】
環状溝部材５１が規定する環状の溝は、カバー部材１０の上面で覆われることによって、断面矩形の環状の空洞４７を形成している。また、直状溝部材５２が規定する直状の溝は、カバー部材１０で覆われることによって、矩形孔４８を形成している。環状溝部材５１の外周壁の一部に形成された導入口４９を通じて、空洞４７と矩形孔４８とが、互いに連通している。
【００６２】
空洞４７の底部に相当するカバー部材１０の部分には、スロット１５が開設されている。また、環状の空洞４７および矩形孔４８には、誘電体１４が内嵌されている。誘電体１４の材料として、例えば、テフロン（登録商標）などのフッ素樹脂、ポリエチレン樹脂、又は、ポリスチレン樹脂が採用され、好ましくは、フッ素樹脂が用いられる。
【００６３】
環状の空洞４７に充填されている誘電体１４によって、誘電体線路１２が形成されている。また、矩形孔４８に充填されている誘電体１４の部分によって、導入部１３が形成されている。導入部１３には、導波管７１の一端が接続され、導波管７１の他端には、マイクロ波発振器７０が接続されている。したがって、マイクロ波発振器２０が生成するマイクロ波は、導波管７１の内部、および、導入部１３を通じて、誘電体線路１２へと導入される。
【００６４】
誘電体線路１２の周方向の長さを適切に、例えば、伝搬するマイクロ波の波長の略整数倍に設定することにより、誘電体線路１２に定在波を生起することができる。この定在波は、スロット１５からマイクロ波導入板８４を介して処理室８２へと導入される。マイクロ波導入板８４の処理室８２に対向する主面には、導体板６０が配設されているので、装置１０１と同様に、表面波のモードに対する選択性が発揮される。また、装置１０３において、導体板６０を配設する代わりに、マイクロ波導入板８４を実施の形態２のマイクロ波導入板６５へと置き換えることも可能である。
【００６５】
装置１０３では、装置１０１とは異なり、テーパ部９１ａを必要とせず、導入部１３を通じて誘電体線路１２へと、マイクロ波を直接に入射することができるので、処理容器８１の周囲に、余分な設置スペースを必要としないという利点が得られる。
【００６６】
(3)上記の実施の形態では、処理室８２の平面視輪郭が円形または矩形であった。しかしながら、処理室８２の平面視輪郭が、円形あるいは矩形からずれても、ずれの範囲がある限度内であれば、表面波の各モードに対して、周方向次数ｍおよび径方向次数ｎ、あるいは、ｘ方向次数およびｙ方向次数を、同様に定義でき、これらの次数に対応した周期性が各モードに現れる。本発明において、「略円形」あるいは「略矩形」とは、この限度内で円形あるいは矩形であることを意味する。
【００６７】
(4)処理室８２の平面視輪郭が円形または矩形ではなく、円形または矩形から大きくずれた形態、例えば、三角形や六角形などであっても、複数のスロット６１または溝６６を、それぞれの形状に見合った方向に沿って、等間隔で配列することにより、表面波のモードに対する選択性を実現することが可能である。
【００６８】
【実施例】
＜4.実施例１＞
以下では、実施の形態１のマイクロ波プラズマ処理装置に関する実施例として、実証試験の結果について説明する。試験には、装置１０１（図１）が用いられた。処理容器８１の形状は円筒形状であり、その内径、すなわち、マイクロ波導入板８４が封じる処理室８２の直径は、298mmに設定された。また、マイクロ波導入板８４には、直径が375mmの円形の石英板が採用された。
【００６９】
マイクロ波発振器７０から、2.45GHzのマイクロ波が供給され、それにより処理室８２に生成されるプラズマの密度の空間分布が測定された。プラズマ密度の測定は、マイクロ波導入板８４の処理室８２に対向する主面から下方に50mm離れた位置、すなわち、おおよそ試料基板Ｗが載置される位置で、ラングミュアプローブ法を用いて行われた。また、プラズマ密度の測定は、座標ｒの方向に沿った、ｒ＝-150mm〜+150mmの範囲、または、座標θの方向に沿った、θ＝0〜180°の範囲にわたって行われた。
【００７０】
測定されたプラズマ密度の分布から、さらに、プラズマ密度の均一性が、つぎの数式１：
均一性＝(Max-Min)/(Max+Min)×100% ・・(数式１)
にもとづいて、算出された。ここで、MaxおよびMinとは、それぞれ、測定された範囲でのプラズマ密度の最大値および最小値を意味する。
【００７１】
図１７は、図２に示した導体板６０を用いたときと、用いないときの双方について、プラズマ密度の座標ｒ方向の分布を測定した結果を示すグラフである。導体板６０は、図２に示しているとおり、半周にわたって８個の線状突起２１を有しており、その高さＨは10mmに設定され、幅は径方向の座標ｒによらずに一定の5mmに設定された。測定の結果は、座標ｒの方向の均一性が、導体板６０を用いないときには、24%であったのに対し、導体板６０を用いることで、14%にまで改善でき、均一性の差で評価して10%向上することを示している。
【００７２】
図１８は、図４に示した導体板６０を用いたときと、用いないときの双方について、プラズマ密度の座標θ方向の分布を測定した結果を示すグラフである。試験に用いられた導体板６０は、径方向に沿って３個の同心円状の線状突起２１を有しており、その高さＨは10mmに設定され、幅は5mmに設定された。測定の結果は、座標θの方向の均一性が、導体板６０を用いないときには、34%であったのに対し、導体板６０を用いることで、23%にまで、均一性の差で10%以上改善できたことを示している。
【００７３】
＜5.実施例２＞
以下では、実施の形態２のマイクロ波プラズマ処理装置に関する実施例として、実証試験の結果について説明する。試験には、装置１０２（図８）が用いられた。以下の図１９〜図２２、図２６および図２７の結果を得た試験では、処理容器８１の形状は、円筒形状であり、その内径、すなわち、マイクロ波導入板６５が封じる処理室８２の直径は、298mmに設定された。このとき、マイクロ波導入板６５には、直径が375mmの円形の石英板が採用された。また、以下の図２３〜図２５の結果を得た試験では、処理容器８１の断面形状は、矩形に設定された。このとき、マイクロ波導入板６５には、矩形の石英板が採用された。
【００７４】
マイクロ波発振器７０から、2.45GHzのマイクロ波が供給され、それにより処理室８２に生成されるプラズマの密度の空間分布が測定された。プラズマ密度の測定は、マイクロ波導入板８４の処理室８２に対向する主面から下方に50mm離れた位置、すなわち、おおよそ試料基板Ｗが載置される位置で、ラングミュアプローブ法を用いて行われた。プラズマ密度の均一性は、数式１にもとづいて算出された。
【００７５】
図１９は、図９に示したマイクロ波導入板６５を用いたときと、線状突起２２のないマイクロ波導入板８４を用いたときの双方について、プラズマ密度の座標ｒ方向の分布を測定した結果を示すグラフである。マイクロ波導入板６５は、図９に示しているとおり、半周にわたって８個の線状突起２２を有しており、その高さＨは10mmに設定され、幅も座標ｒによらない一定の10mmに設定された。測定の結果は、座標ｒの方向の均一性が、マイクロ波導入板６５を用いないときには、24%であったのに対し、マイクロ波導入板６５を用いることで、13%にまで、均一性の差で10%以上改善できたことを示している。
【００７６】
図２０は、図１０に示したマイクロ波導入板６５を用いたときと、線状突起２２のないマイクロ波導入板８４を用いたときの双方について、プラズマ密度の座標θ方向の分布を測定した結果を示すグラフである。試験に用いられたマイクロ波導入板６５は、径方向に沿って３個の同心円状の線状突起２２を有しており、その高さＨは10mmに設定され、幅も10mmに設定された。測定の結果は、座標θの方向の均一性が、マイクロ波導入板６５を用いないときには、34%であったのに対し、マイクロ波導入板６５を用いることで、20%にまで、均一性の差で10%以上改善できたことを示している。
【００７７】
図２１および図２２は、図１１に示したマイクロ波導入板６５を用いたときと、線状突起２２のないマイクロ波導入板８４を用いたときの双方について、プラズマ密度の分布を測定した結果を示すグラフである。図２１は、座標ｒの方向の分布を示し、図２２は、座標θの方向の分布を示している。試験に用いられたマイクロ波導入板６５は、方位角方向に沿った半周にわたって８個、径方向に沿って３個の線状突起２２を有しており、その高さＨは10mmに設定され、幅も10mmに設定された。
【００７８】
図２１は、座標ｒの方向の均一性が、マイクロ波導入板６５を用いないときには、24%であったのに対し、マイクロ波導入板６５を用いることで、12%にまで、均一性の差で10%以上改善できたことを示している。また、図２２は、座標θの方向の均一性が、マイクロ波導入板６５を用いないときには、34%であったのに対し、マイクロ波導入板６５を用いることで、同じく12%にまで、均一性の差で10%以上改善できたことを示している。
【００７９】
図２３は、図１２に示したマイクロ波導入板６５を用いたときと、線状突起２２のないマイクロ波導入板８４を用いたときの双方について、プラズマ密度の座標ｙ方向の分布を測定した結果を示すグラフである。マイクロ波導入板６５は、座標ｙ方向に沿って１０個の線状突起２２を有しており、その高さＨは10mmに設定され、幅も10mmに設定された。測定の結果は、座標ｙの方向の均一性が、マイクロ波導入板６５を用いないときには、24%であったのに対し、マイクロ波導入板６５を用いることで、9%にまで、均一性の差で10%以上改善できたことを示している。
【００８０】
図２４および図２５は、図１３に示したマイクロ波導入板６５を用いたときと、線状突起２２のないマイクロ波導入板８４を用いたときの双方について、プラズマ密度の分布を測定した結果を示すグラフである。図２４は、座標ｙの方向の分布を示し、図２５は、座標θの方向の分布を示している。試験に用いられたマイクロ波導入板６５は、座標ｘおよび座標ｙの双方に沿って、それぞれ１０個の線状突起２２を有しており、その高さＨは10mmに設定され、幅も10mmに設定された。
【００８１】
図２４は、座標ｙの方向の均一性が、マイクロ波導入板６５を用いないときには、24%であったのに対し、マイクロ波導入板６５を用いることで、12%にまで、均一性の差で10%以上改善できたことを示している。また、図２５は、座標θの方向の均一性が、マイクロ波導入板６５を用いないときには、35%であったのに対し、マイクロ波導入板６５を用いることで、12%にまで、均一性の差で10%以上改善できたことを示している。
【００８２】
図２６は、図１４に示したマイクロ波導入板６５を用いたときと、導体薄膜６９のない図９のマイクロ波導入板６５を用いたときの双方について、マイクロ波の供給と停止を繰り返すごとに、プラズマ密度を反復的に測定した結果を示すグラフである。プラズマ密度の測定点は、座標ｒ＝０の位置、すなわち、中心軸Ｃ上の位置に設定された。双方のマイクロ波導入板６５は、図９および図１４が示すとおり、半周にわたって８個の線状突起２２を有しており、その高さＨは10mmに設定され、幅も10mmに設定された。導体薄膜６９は、アルミニウム薄膜を1μmの厚さに成膜することによって形成された。
【００８３】
測定されたプラズマ密度の値から、プラズマ密度の再現性が、つぎの数式２：
再現性＝(Max-Min)/(Max+Min)×100% ・・(数式２)
にもとづいて、算出された。ここで、MaxおよびMinとは、それぞれ、測定された範囲でのプラズマ密度の最大値および最小値を意味する。再現性は、プラズマ密度の安定性を表現している。測定の結果は、再現性が、導体薄膜６９を用いないときには、15%であったのに対し、導体薄膜６９を用いることで、4%にまで、再現性の差で10%以上改善できたことを示している。すなわち、プラズマ密度の空間的な均一性だけでなく、時間的な安定性も向上することが確認された。
【００８４】
図２７は、図９に示したマイクロ波導入板６５を用い、しかも、線状突起２２の高さＨを二通りに変えて、マイクロ波の供給と停止を反復したときのプラズマ密度を測定した結果を示すグラフである。プラズマ密度の測定点は、座標ｒ＝０の位置、すなわち、中心軸Ｃ上の位置に設定された。線状突起２２の高さＨは、2mmと8mmとに設定された。マイクロ波導入板６５は、図９が示すとおり、半周にわたって８個の線状突起２２を有しており、線状突起２２の幅は、10mmに設定された。プラズマ密度の再現性は、数式２にもとづいて算出された。
【００８５】
測定の結果は、再現性が、高さＨが2mmであるときには、25%であったのに対し、高さＨが8mmであるときには、8%にまで、再現性の差で10%以上改善できたことを示している。すなわち、高さＨが、上記した臨界値としての3.0mm以上であるか、否かで、再現性が大きく異なることが理解される。
【００８６】
【発明の効果】
本発明の装置では、マイクロ波のスキンデプス以上の高さで等間隔で配列する複数の線状突起が、マイクロ波導入板の処理室側の主面に配設されているので、マイクロ波導入板の主面と処理室に生成されるプラズマとの界面に沿って伝搬するマイクロ波の表面波のモードに、線状突起の配列パターンに応じた選択性が現れる。このため、生成されるプラズマの密度が安定するとともに、その均一性が高められる。
【００８７】
本発明の装置では、線状突起の高さが3mm以上であるので、約7.5×10¹⁰cm^-3〜約5×10¹²cm^-3の範囲にある実用的なプラズマ密度に対して、表面波のモードに対する選択性が発揮され、プラズマ密度の安定性と均一性が高められる。
【００８８】
本発明の装置では、線状突起が導体から成るので、表面波のモードに対する選択性が高い。
【００８９】
本発明の装置では、導体から成る線状突起が、パターニングされた導体板の一部として一体的に連結するように形成されるので、線状突起の形成と、配設とが容易である。
【００９０】
本発明の装置では、線状突起が、マイクロ波導入板と同一材料から成るので、一体成型加工等を通じて、線状突起を有するマイクロ波導入板を容易に形成することができる。
【００９１】
本発明の装置では、誘電体の線状突起の頭部表面が、導体で被覆されているので、表面波のモードに対する選択性が高められる。
【００９２】
本発明の装置では、処理室の輪郭が略円形であって、線状突起が、略円形の中心から周囲へと放射状に配列するので、表面波のモードの周方向次数に選択性が現れる。
【００９３】
本発明の装置では、処理室の輪郭が略円形であって、線状突起が、略円形の中心から周囲へと同心円に配列するので、表面波のモードの径方向次数に選択性が現れる。
【００９４】
本発明の装置では、処理室の輪郭が略円形であって、線状突起が、略円形の中心から周囲へと同心円に配列する部分と、略円形の中心から周囲へと放射状に配列する部分とを含んでいるので、表面波のモードの周方向次数と径方向次数の双方に選択性が現れる。
【００９５】
本発明の装置では、処理室の輪郭が略矩形であって、線状突起が、略矩形の一辺に沿って延在し、これと交差する他の一辺に沿って、等間隔で配列するので、表面波のモードの他の一辺に沿った方向の次数に選択性が現れる。
【００９６】
本発明の装置では、処理室の輪郭が略矩形であって、線状突起が、略矩形の交差する二辺に沿って、格子状に等間隔で配列するので、表面波のモードの二辺に沿った方向の次数に選択性が現れる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 実施の形態１の装置の側断面図である。
【図２】 実施の形態１の導体板の斜視図である。
【図３】 線状突起の機能の説明図である。
【図４】 実施の形態１の導体板の斜視図である。
【図５】 実施の形態１の導体板の斜視図である。
【図６】 実施の形態１の導体板の斜視図である。
【図７】 実施の形態１の導体板の斜視図である。
【図８】 実施の形態２の装置の側断面図である。
【図９】 実施の形態２のマイクロ波導入板導体板の斜視図である。
【図１０】 実施の形態２のマイクロ波導入板導体板の斜視図である。
【図１１】 実施の形態２のマイクロ波導入板導体板の斜視図である。
【図１２】 実施の形態２のマイクロ波導入板導体板の斜視図である。
【図１３】 実施の形態２のマイクロ波導入板導体板の斜視図である。
【図１４】 実施の形態２のマイクロ波導入板導体板の斜視図である。
【図１５】 変形例の装置の側断面図である。
【図１６】 変形例の装置の平面図である。
【図１７】 図２の導体板を用いた実証試験の結果を示すグラフである。
【図１８】 図４の導体板を用いた実証試験の結果を示すグラフである。
【図１９】 図９の導体板を用いた実証試験の結果を示すグラフである。
【図２０】 図１０の導体板を用いた実証試験の結果を示すグラフである。
【図２１】 図１１の導体板を用いた実証試験の結果を示すグラフである。
【図２２】 図１１の導体板を用いた実証試験の結果を示すグラフである。
【図２３】 図１２の導体板を用いた実証試験の結果を示すグラフである。
【図２４】 図１３の導体板を用いた実証試験の結果を示すグラフである。
【図２５】 図１３の導体板を用いた実証試験の結果を示すグラフである。
【図２６】 図１４の導体板を用いた実証試験の結果を示すグラフである。
【図２７】 図９の導体板を用いた実証試験の結果を示すグラフである。
【図２８】 従来の装置の側断面図である。
【図２９】 従来の装置の平面図である。
【図３０】 従来の装置の平面図である。
【図３１】 図３０の装置を模式的に示す斜視図である。
【図３２】 表面波のモードを例示する模式図である。
【図３３】 表面波のモードのプラズマ密度に対するスペクトル図である。
【符号の説明】
１２，９１ 誘電体線路
２１，２２ 線状突起
６０ 導体板
６７ 誘電体部
６９ 導体薄膜
８２ 処理室
８４ マイクロ波導入板
Ｈ 高さ
ＭＷ マイクロ波
ＳＤ スキンデプス
Ｗ 試料

Claims (9)

1. 導電性のカバー部材に内挿された誘電体からなる誘電体線路に導入されるマイクロ波を、処理対象である試料を収納可能な処理室へ、誘電体のマイクロ波導入板を介して導入することにより、マイクロ波が表面波として伝搬するプラズマを前記処理室に生成し、当該プラズマを用いて前記試料に処理を行うためのプラズマ処理装置であって、
   前記マイクロ波導入板の前記処理室側の主面に沿って、前記マイクロ波導入板と同一部材から成り、等間隔で配列する複数の線状突起が、前記処理室に導入された前記マイクロ波のスキンデプス以上となる２．４ｍｍ以上の高さで配設されており、該複数の線状突起により、励起される表面波のモードを制限し、プラズマ処理の均一性を高めたことを特徴とするマイクロ波プラズマ処理装置。
2. 前記線状突起が、前記マイクロ波導入板と一体成型加工されている請求項１に記載のマイクロ波プラズマ処理装置。
3. 前記高さが、５．３ｍｍ以上である、請求項１又は請求項２に記載のマイクロ波プラズマ処理装置。
4. 前記複数の線状突起の頭部表面を被覆する導体薄膜を備える請求項１ないし請求項３のいずれかに記載のマイクロ波プラズマ処理装置。
5. 前記マイクロ波導入板の前記主面に沿った、前記処理室の輪郭形状が略円形であり、前記複数の線状突起が、前記略円形の径方向に沿って延在し、かつ、方位角方向に沿って等間隔で配列している、請求項１ないし請求項４のいずれかに記載のマイクロ波プラズマ処理装置。
6. 前記マイクロ波導入板の前記主面に沿った、前記処理室の輪郭形状が略円形であり、前記複数の線状突起が、前記略円形の中心から周囲へと同心円状に等間隔で配列している、請求項１ないし請求項４のいずれかに記載のマイクロ波プラズマ処理装置。
7. 前記マイクロ波導入板の前記主面に沿った、前記処理室の輪郭形状が略円形であり、前記複数の線状突起が、前記略円形の中心から周囲へと同心円状に等間隔で配列する部分と、これに交差するように前記略円形の径方向に沿って延在し、かつ、方位角方向に沿って等間隔で配列する部分とを含んでいる、請求項１ないし請求項４のいず
   れかに記載のマイクロ波プラズマ処理装置。
8. 前記マイクロ波導入板の前記主面に沿った、前記処理室の輪郭形状が略矩形であり、前記複数の線状突起が、前記略矩形の一辺に沿って延在し、かつ、交差する他の一辺に沿って等間隔で配列している、請求項１ないし請求項４のいずれかに記載のマイクロ波プラズマ処理装置。
9. 前記マイクロ波導入板の前記主面に沿った、前記処理室の輪郭形状が略矩形であり、前記複数の線状突起が、前記略矩形の交差する二辺に沿って格子状に等間隔で配列している、請求項１ないし請求項４のいずれかに記載のマイクロ波プラズマ処理装置。

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