JP5422396B2 - マイクロ波プラズマ処理装置 - Google Patents

Description

本発明は、酸化処理や窒化処理等のプラズマ処理を行うマイクロ波プラズマ処理装置に関する。

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が、近時、ＬＳＩの高集積化、高速化の要請からＬＳＩを構成する半導体素子のデザインルールが益々微細化され、また、半導体ウエハが大型化されており、それにともなって、プラズマ処理装置においてもこのような微細化および大型化に対応するものが求められている。

ところが、従来から多用されてきた平行平板型や誘導結合型のプラズマ処理装置では、電子温度が高いため微細素子にプラズマダメージを生じてしまい、また、プラズマ密度の高い領域が限定されるため、大型の半導体ウエハを均一かつ高速にプラズマ処理することは困難である。

そこで、高密度で低電子温度のプラズマを均一に形成することができるＲＬＳＡ（Radial Line Slot Antenna）マイクロ波プラズマ処理装置が注目されている（例えば国際公開第２００４／００８５１９号パンフレット）。

ＲＬＳＡマイクロ波プラズマ処理装置は、チャンバーの上部に所定のパターンで多数のスロットが形成された平面アンテナ（Radial Line Slot Antenna）を設け、マイクロ波発生源から導かれたマイクロ波を、平面アンテナのスロット（放射孔）から放射させるとともに、その下に設けられた誘電体からなるマイクロ波透過板を介して真空に保持されたチャンバー内に放射し、このマイクロ波電界によりチャンバー内に導入されたガスをプラズマ化し、このように形成されたプラズマにより半導体ウエハ等の被処理体を処理するものである。

このＲＬＳＡマイクロ波プラズマ処理装置では、アンテナ直下の広い領域に亘って高いプラズマ密度を実現でき、短時間で均一なプラズマ処理を行うことが可能である。また、低電子温度プラズマが形成されるため、素子へのダメージが小さい。

このような低ダメージでかつ均一性の高い利点を利用して、酸化処理や窒化処理等、種々の処理への適用が検討されている。

このようなマイクロ波プラズマ処理装置においては、マイクロ波発生装置にて発生したマイクロ波を、導波管を介して複数のスロット（放射孔）が形成された平面アンテナに導く。そして、平面アンテナの中心部から周辺部に向けてマイクロ波が伝播し、その過程で複数のスロットから誘電体からなるマイクロ波透過板を透過して円偏波のマイクロ波がチャンバー内へ放射される。この放射されたマイクロ波よって生成される電磁界により、チャンバー内に導入したガスのプラズマが生成される。

ところで、上記文献では、均一なプラズマを得るために、平面アンテナのスロットを基本的に均一になるように形成し、マイクロ波透過板はフラットに形成されているが、マイクロ波が、平面アンテナの中心部から周辺部に向けて伝播しつつスロットから誘電体からなるマイクロ波透過板を透過してチャンバー内に放射されるため、マイクロ波が誘電体からなるマイクロ波透過板を透過する際に発生する反射波等の影響により、マイクロ波が均一にチャンバー内に導入されず、例えば中央部のほうが周辺部よりも電界強度が高くなってしまう等、必ずしも電界強度が均一にならず、要求されるプラズマの均一性が得られない場合がある。また、マイクロ波の効率も必ずしも十分とはいえない。

発明の概要

本発明の目的は、マイクロ波を均一に放射することができ、均一性の高いプラズマを形成することができるとともに、マイクロ波パワーを効率よく導入することができるマイクロ波プラズマ処理装置を提供することにある。

本発明の一観点によれば、マイクロ波によって処理ガスのプラズマを形成し、そのプラズマにより被処理体にプラズマ処理を施すマイクロ波プラズマ処理装置であって、被処理体が収容されるチャンバーと、前記チャンバー内で被処理体を載置する載置台と、マイクロ波を発生させるマイクロ波発生源と、マイクロ波発生源で発生されたマイクロ波を前記チャンバーに向けて導く導波管と、前記導波管に導かれたマイクロ波を前記チャンバーに向けて放射する、導体からなる平面アンテナと、前記チャンバーの天壁を構成し、前記平面アンテナのマイクロ波放射孔を通過したマイクロ波を透過する、誘電体からなるマイクロ波透過板と、配管を介して前記チャンバー内に処理ガスを導入する処理ガス導入部とを具備し、前記平面アンテナは、その面を同心状に中央領域、外周領域、これらの中間領域に分けた場合に、前記中央領域および前記外周領域に複数のマイクロ波放射孔が形成され、前記中間領域にはマイクロ波放射孔が形成されておらず、前記中央領域および前記外周領域には、それぞれ内側に設けられた第１のマイクロ波放射孔と外側に設けられた第２のマイクロ波放射孔とが互いに向きの異なるように配置された複数のマイクロ波放射孔の対が同心円状に配列され、前記マイクロ波透過板は、その下面に凹部が形成され、その凹部は断面アーチ状をなし、かつ前記凹部の被処理体に対応する部分はフラットであり、前記外周領域に設けられた前記マイクロ波放射孔の対の前記第１のマイクロ波放射孔の少なくとも一部が前記凹部にかかるように配置されているマイクロ波プラズマ処理装置が提供される。

前記一観点において、前記マイクロ波放射孔の対は、前記第１のマイクロ波放射孔および前記第２のマイクロ波放射孔の長手方向の一端が近接し、他端が広がるように形成されていることが好ましい。この場合に、前記第１のマイクロ波放射孔の長手方向と前記第２のマイクロ波放射孔の長手方向とのなす角度が８０〜１００°であることが好ましい。また、前記中央領域に形成されたマイクロ波放射孔の長手方向の長さは、前記外周領域に形成されたマイクロ波放射孔の長手方向の長さよりも短いことが好ましい。さらに、前記凹部は、被処理体の径よりも大きく形成されている構成とすることができる。さらに、前記マイクロ波透過板は、その下面の周縁部に下方に突出する環状をなす突出部を有する構成とすることができる。また、前記マイクロ波透過板の凹部に対応する部分の厚さは、１０〜３０ｍｍであることが好ましく、前記凹部の高さは、１５〜２５ｍｍであることが好ましい。また、前記中心領域の前記第１のマイクロ波放射孔の中心点と前記平面アンテナの中心との距離を１としたとき、前記外側領域の前記第１のマイクロ波放射孔の中心点と前記平面アンテナの中心との距離は２〜４であることが好ましい。

本発明によれば、マイクロ波を放射する平面アンテナを、その面を同心状に中央領域、外周領域、これらの中間領域に分けた場合に、前記中央領域および前記外周領域に複数のマイクロ波放射孔が形成され、前記中間領域にはマイクロ波放射孔が形成されておらず、前記中央領域および前記外周領域には、それぞれ内側に設けられた第１のマイクロ波放射孔と外側に設けられた第２のマイクロ波放射孔とが互いに向きの異なるように配置された複数のマイクロ波放射孔の対が同心円状に配列され、前記マイクロ波透過板は、その下面に凹部が形成され、その凹部は断面アーチ状をなし、かつ前記凹部の被処理体に対応する部分はフラットであり、前記外周領域に設けられた前記マイクロ波放射孔の対の前記第１のマイクロ波放射孔の少なくとも一部が前記凹部にかかるように配置したので、マイクロ波透過板において中心部から周辺部に向けてマイクロ波が伝搬し、マイクロ波放射孔からマイクロ波透過板を透過して、チャンバー内にマイクロ波を放射させる際に、定在波や反射波を極力少なくして効率よく均一に放射させることができ、均一性の高いプラズマを形成することができる。

本発明の一実施形態に係るマイクロ波プラズマ処理装置を示す概略断面図である。 図１のマイクロ波プラズマ処理装置に用いた平面アンテナの構造を示す図である。 マイクロ波透過板に形成される凹部の他の構造例を示す断面図である。 マイクロ波透過板に形成される凹部の他の構造例を示す断面図である。 マイクロ波透過板に形成される凹部の他の構造例を示す断面図である。 マイクロ波透過板に形成される凹部の他の構造例を示す断面図である。 マイクロ波透過板に形成される凹部の他の構造例を示す断面図である。 本発明の他の実施形態に係るマイクロ波プラズマ処理装置のガス供給系の部分を示す図である。 図６Ａの電界強度分布を求めた位置を示す図である。 図６Ｂの電界強度分布を求めた位置を示す図である。 断面アーチ状のマイクロ波透過板を用いた際のアーチ部下面の電界強度分布を示す図である。 フラット形状のマイクロ波透過板を用いた場合のその下面の電界強度分布を示す図である。 図８Ａの電界強度分布を求めた位置を示す図である。 図８Ｂの電界強度分布を求めた位置を示す図である。 断面アーチ状のマイクロ波透過板を用いた際のマイクロ波透過板の上面からその３０ｍｍ下方位置までの部分の電界強度分布を示す図である。 フラット形状のマイクロ波透過板を用いた際のマイクロ波透過板の上面からその３０ｍｍ下方位置までの部分の電界強度分布を示す図である。 マイクロ波透過板としてフラット形状のものを用いた場合の各マイクロ波パワーにおける酸化プラズマの電子密度分布を示す図である。 マイクロ波透過板として断面アーチ状のものを用いた場合の各マイクロ波パワーにおける酸化プラズマ電子密度分布を示す図である。 マイクロ波透過板としてフラット形状のものを用いた場合の各マイクロ波パワーにおける窒化プラズマの電子密度分布を示す図である。 マイクロ波透過板として断面アーチ状のものを用いた場合の各マイクロ波パワーにおける窒化プラズマ電子密度分布を示す図である。 本発明のさらに他の実施形態に係るマイクロ波プラズマ処理装置を示す部分断面図である。 図１３のマイクロ波透過板の底面図である。 本発明のさらにまた他の実施形態に係るマイクロ波プラズマ処理装置を示す部分断面図である。

発明を実施するための形態

以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態について説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係るマイクロ波プラズマ処理装置を模式的に示す断面図である。このプラズマ処理装置は、複数のスロットを有する平面アンテナ、特にＲＬＳＡ（Radial Line Slot Antenna；ラジアルラインスロットアンテナ）にて処理室内にマイクロ波を導入してプラズマを発生させることにより、高密度かつ低電子温度のマイクロ波プラズマを発生させ得るＲＬＳＡマイクロ波プラズマ処理装置として構成されている。

このプラズマ処理装置１００は、気密に構成され、接地された略円筒状のチャンバー１を有している。チャンバー１の底壁１ａの略中央部には円形の開口部１０が形成されており、底壁１ａにはこの開口部１０と連通し、下方に向けて突出する排気室１１が設けられている。

チャンバー１内には被処理基板である半導体ウエハ（以下、「ウエハ」と記す）Ｗを水平に支持するためのＡｌＮ等のセラミックスからなるサセプタ（載置台）２が設けられている。このサセプタ２は、排気室１１の底部中央から上方に延びる円筒状のＡｌＮ等のセラミックスからなる支持部材３により支持されている。サセプタ２の外縁部にはウエハＷをガイドするためのガイドリング４が設けられている。また、サセプタ２には抵抗加熱型のヒータ５が埋め込まれており、このヒータ５はヒータ電源６から給電されることによりサセプタ２を加熱して、その熱で被処理体であるウエハＷを加熱する。このとき、例えば室温から８００℃までの範囲で処理温度が制御可能となっている。なお、チャンバー１の内周には、不純物の少ない高純度の石英からなる円筒状のライナー７が設けられている。このライナー７により金属などのコンタミを防止し、クリーンな環境を形成することができる。また、サセプタ２の外周側には、チャンバー１内を均一排気するため、多数の排気孔８ａを有する不純物の少ない高純度の石英からなるバッフルプレート８が環状に設けられ、このバッフルプレート８は、複数の支柱９により支持されている。

サセプタ２には、ウエハＷを支持して昇降させるためのウエハ支持ピン（図示せず）がサセプタ２の表面に対して突没可能に設けられている。

チャンバー１の側壁には環状をなすガス導入部材１５が設けられており、均等にガス放射孔が形成されている。このガス導入部材１５にはガス供給部１６が接続されている。ガス導入部材はシャワー状に配置してもよい。このガス供給部１６は、例えばＡｒガス供給源１７、Ｏ_２ガス供給源１８、Ｈ_２ガス供給源１９を有しており、これらのガスが、それぞれガスライン２０を介してガス導入部材１５に至り、ガス導入部材１５のガス放射孔からチャンバー１内に均一に導入される。ガスライン２０の各々には、マスフローコントローラ２１およびその前後の開閉バルブ２２が設けられている。なお、Ａｒガスに代えて他の希ガス、例えばＫｒ、Ｈｅ、Ｎｅ、Ｘｅなどのガスを用いてもよく、また、後述するように希ガスは含まなくてもよい。

上記排気室１１の側面には排気管２３が接続されており、この排気管２３には高速真空ポンプを含む排気装置２４が接続されている。そしてこの排気装置２４を作動させることによりチャンバー１内のガスが、排気室１１の空間１１ａ内へ均一に排出され、排気管２３を介して排気される。これによりチャンバー１内を所定の真空度、例えば０．１３３Ｐａまで高速に減圧することが可能となっている。

チャンバー１の側壁には、プラズマ処理装置１００に隣接する搬送室（図示せず）との間でウエハＷの搬入出を行うための搬入出口２５と、この搬入出口２５を開閉するゲートバルブ２６とが設けられている。

チャンバー１の上部は開口部となっており、この開口部に、周縁部に沿ってチャンバー１内に突出するようにリング状のリッド２７が設けられており、その突出部分が支持部２７ａとなっている。この支持部２７に誘電体、例えば石英やＡｌ_２Ｏ_３、ＡｌＮ等のセラミックスからなり、後述する平面アンテナ３１のマイクロ波放射孔３２（スロット）から放射された円偏波のマイクロ波を透過するマイクロ波透過板２８がシール部材２９を介して気密に設けられている。これにより、チャンバー１内は気密に保持される。マイクロ波は、このマイクロ波透過板２８を透過してチャンバー１内に放射され、チャンバー１内に電磁界を発生する。このマイクロ波透過板２８は、その下面のマイクロ波放射面の中央部に凹部２８ａが形成されている。そして、凹部２８ａの形状は断面アーチ状となっており、凹部２８ａの径はウエハＷの径よりも大きくなっており、さらに凹部２８ａのウエハＷに対応する部分はフラット形状をなしている。このときの凹部２８ａに対応する部分のマイクロ波透過板２８の厚さは１／４×λｇ（λｇ：マイクロ波の管内波長）以下が好ましい。例えばマイクロ波が２．４５ＧＨｚの場合には１０〜３０ｍｍ（１／１０×λｇ〜１／４×λｇ）が好ましい。また、凹部２８ａの高さは、１５〜２５ｍｍ（１／８×λｇ〜１／５×λｇ）が好ましい。

マイクロ波透過板２８の上方には、サセプタ２と対向するように、円板状の平面アンテナ３１が設けられている。この平面アンテナ３１はチャンバー１の側壁上端に係止されている。平面アンテナ３１は、マイクロ波透過板２８よりも少し大きな径を有しており、厚みが０．１〜数ｍｍ（例えば１ｍｍ）の導電性材料、例えば表面が銀または金メッキされた銅またはアルミニウムまたはＮｉからなる円板であり、複数のマイクロ波放射孔３２（スロット）が所定のパターンで貫通して形成された構成となっている。

具体的には、図２に示すように、マイクロ波放射孔３２は一方向に長い形状を有し、互いに向きの異なる２つのマイクロ波放射孔３２が対をなし、このマイクロ波放射孔３２の対から円偏波のマイクロ波を放射するようになっている。そして、平面アンテナ３１の面を同心状に中央領域３１ａ、外周領域３１ｃ、これらの中間領域３１ｂに分けた場合に、このようなマイクロ波放射孔３２の対が、中央領域３１ａおよび外周領域３１ｃには同心円状に複数配列され、中間領域３１ｂにはマイクロ波放射孔３２が形成されていない。中央領域３１ａの内側のマイクロ波放射孔３２の中心点と平面アンテナ３１の中心との距離を１としたとき、外側領域の内側のマイクロ波放射孔３２の中心点と平面アンテナ３１の中心との距離は２〜４が好ましく、２．５８が最適である。

対をなすマイクロ波放射孔３２は、これらの長手方向の一端が近接し、他端が広がるように形成され、図２では長手方向同士のなす角度が９０°程度である。この角度は、８０〜１００°が好ましく８５〜９５°がさらに好ましい。また、マイクロ波放射孔３２は、図２では平面アンテナ３１の中心からその長手方向中心を通る線に対して４５°に近い角度を有している。この角度は４０〜５０°が好ましい。さらに、中央領域３１ａに形成されているマイクロ波放射孔３２の長手方向の長さは、外周領域３１ｃに形成されているマイクロ波放射孔３２の長手方向の長さよりも短くなっている。また、外周領域３１ｃおよび中央領域３１ａのマイクロ波放射孔３２の対は、いずれも等間隔で形成されている。この例ではマイクロ波放射孔３２の対が外周領域３１ｃでは２４個設けられ、中央領域３１ａでは６個設けられている。ただし、これらの個数は特に限定されず、要求される特性に応じて決定すればよい。

上記マイクロ波透過板２８の凹部２８ａとマイクロ波放射孔３２の位置関係については、凹部２８ａが、外周領域３１ｃに形成されたマイクロ波放射孔３２の対のうち、内側のマイクロ波放射孔３２の少なくとも一部にかかるようになっていることが好ましい。これにより、マイクロ波透過板２８の凹部２８ａに対応する部分の下面における電界強度を高くすることができる。

この平面アンテナ３１の上面には、真空よりも大きい誘電率を有する例えば石英、ポリテトラフルオロエチレン、ポリイミドなどの樹脂からなる遅波材３３が設けられている。この遅波材３３は、真空中ではマイクロ波の波長が長くなることから、マイクロ波の波長を短くしてプラズマを調整する機能を有している。なお、平面アンテナ３１とマイクロ波透過板２８との間、また、遅波材３３と平面アンテナ３１との間は、それぞれ密着して配置されているが、離間して配置されていてもよい。平面アンテナ３１のスロット３２の配置と遅波材３３により反射波を抑制することができ、マイクロ波導入効率を高めることができる。

チャンバー１の上面には、これら平面アンテナ３１および遅波材３３を覆うように、例えばアルミニウムやステンレス鋼、銅等の金属材からなる導波管機能を有するカバー部材３４が設けられている。チャンバー１の上面とカバー部材３４とはシール部材３５によりシールされている。カバー部材３４には、冷却水流路３４ａが形成されており、そこに冷却水を通流させることにより、カバー部材３４、遅波材３３、平面アンテナ３１、マイクロ波透過板２８を冷却するようになっている。これにより、マイクロ波透過板２８、平面アンテナ３２、遅波材３３、カバー部材３４が、プラズマにより加熱されることによって変形することや破損することが防止される。なお、カバー部材３４は接地されている。

カバー部材３４の上壁の中央には開口部３６が形成されており、この開口部には導波管３７が接続されている。この導波管３７の端部には、マッチング回路３８を介してマイクロ波発生装置３９が接続されている。これにより、マイクロ波発生装置３９で発生した例えば周波数２．４５ＧＨｚのマイクロ波が導波管３７を介して上記平面アンテナ３１へ伝搬されるようになっている。なお、マイクロ波の周波数としては、８．３５ＧＨｚ、１．９８ＧＨｚ等を用いることもできる。

導波管３７は、上記カバー部材３４の開口部３６から上方へ延出する断面円形状の同軸導波管３７ａと、この同軸導波管３７ａの上端部にモード変換器４０を介して接続された水平方向に延びる矩形導波管３７ｂとを有している。矩形導波管３７ｂと同軸導波管３７ａとの間のモード変換器４０は、矩形導波管３７ｂ内をＴＥモードで伝播するマイクロ波をＴＥＭモードに変換する機能を有している。同軸導波管３７ａの中心にはステンレス鋼（ＳＵＳ）、銅、アルミニウム等の金属製の内導体４１が延在しており、この内導体４１の下端部が平面アンテナ３１の中心に形成された穴３１ｄに挿入され、反対側からネジで接続固定されている。これにより、マイクロ波は、同軸導波管３７ａの内導体４１を介して平面アンテナ３１とカバー部材３４で形成される扁平導波管へ均一に効率よく伝播されて、平面アンテナ３１のマイクロ波放射孔３２からマイクロ波透過板２８を透過してチャンバー１内に均一に放射される。

マイクロ波プラズマ処理装置１００の各構成部は、マイクロプロセッサ（コンピュータ）を備えたプロセスコントローラ５０に接続されて制御される構成となっている。プロセスコントローラ５０には、オペレータがプラズマ処理装置１００を管理するためにコマンドの入力操作等を行うキーボードや、プラズマ処理装置１００の稼働状況を可視化して表示するディスプレイ等からなるユーザーインターフェース５１と、プラズマ処理装置１００で実行される各種処理をプロセスコントローラ５０の制御にて実現するための制御プログラムや、処理条件に応じてプラズマ処理装置１００の各構成部に処理を実行させるためのプログラムすなわちレシピが格納された記憶部５２が接続されている。レシピは記憶部５２の中の記憶媒体に記憶されている。記憶媒体は、ハードディスクや半導体メモリであってもよいし、ＣＤＲＯＭ、ＤＶＤ、フラッシュメモリ等の可搬性のものであってもよい。また、他の装置から、例えば専用回線を介してレシピを適宜伝送させるようにしてもよい。

そして、必要に応じて、ユーザーインターフェース５１からの指示等にて任意のレシピを記憶部５２から呼び出してプロセスコントローラ５０に実行させることで、プロセスコントローラ５０の制御下で、プラズマ処理装置１００での所望の処理が行われる。

次に、このように構成されるプラズマ処理装置１００によってプラズマ酸化処理を行う動作について説明する。
まず、ゲートバルブ２６を開にして搬入出口２５から酸化処理すべきウエハＷをチャンバー１内に搬入し、サセプタ２上に載置する。

そして、ガス供給系１６のＡｒガス供給源１７およびＯ_２ガス供給源１８から、ＡｒガスおよびＯ_２ガスを所定の流量でガス導入部材１５を介してチャンバー１内に導入し、所定の処理圧力に維持する。チャンバー１内の処理圧力は、例えば６．７〜６７７Ｐａの範囲とされる。また、処理ガス中の酸素の割合（流量比すなわち体積比）は、０．１〜１００％とされる。処理ガスの流量は、例えば、Ａｒガス：０〜５０００ｍＬ／ｍｉｎ、Ｏ_２ガス：１〜１０００ｍＬ／ｍｉｎとされる。

また、Ａｒガス供給源１７およびＯ_２ガス供給源１８からのＡｒガスおよびＯ_２ガスに加え、Ｈ_２ガス供給源１９からＨ_２ガスを所定比率で導入することもできる。Ｈ_２ガスを供給することにより、プラズマ酸化処理における酸化レートを向上させることができる。これは、Ｈ_２ガスを供給することでＯＨラジカルが生成され、これが酸化レート向上に寄与するためである。この場合、Ｈ_２の割合は、処理ガス全体の量に対して０．１〜１０％となるようにすることが好ましい。Ｈ_２ガスの流量は１〜５００ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）が好ましい。

なお、処理温度は２００〜８００℃の範囲とすることができ、４００〜６００℃が好ましい。

次いで、マイクロ波発生装置３９からのマイクロ波を、マッチング回路３８を経て導波管３７に導く。マイクロ波は、矩形導波管３７ｂ、モード変換器４０、および同軸導波管３７ａを順次通って平面アンテナ３１に供給される。マイクロ波は、矩形導波管３７ｂ内ではＴＥモードで伝搬し、このＴＥモードのマイクロ波はモード変換器４０でＴＥＭモードに変換されて、同軸導波管３７ａ内を平面アンテナ３１とカバー部材３４とからなる扁平導波管に向けて伝搬され、平面アンテナ３１のマイクロ波放射孔３２の対から円偏波として放射され、マイクロ波透過板２８を透過してチャンバー１内におけるウエハＷの上方空間に放射される。この際、マイクロ波発生装置３９のパワーは、０．５〜５ｋＷ（０．２〜２．５Ｗ／ｃｍ^２）とすることが好ましい。

平面アンテナ板３１からマイクロ波透過板２８を介してチャンバー１に放射されたマイクロ波によりチャンバー１内で電磁界が形成され、Ａｒガス、Ｏ_２ガス等がプラズマ化し、このプラズマによりウエハＷのシリコン表面を酸化する。このマイクロ波プラズマは、マイクロ波が平面アンテナ板３１の多数のマイクロ波放射孔３２から放射されることにより、略１×１０^１０〜５×１０^１２／ｃｍ^３あるいはそれ以上の高密度のプラズマとなり、その電子温度は、０．５〜２ｅＶ程度と低く、ウエハ近傍では１．１ｅＶ以下とより低い。つまり、低電子温度のプラズマのため酸化膜へのプラズマ中のイオン等によるダメージが小さく、良質なシリコン酸化膜を形成できるというメリットがある。

しかしながら、マイクロ波は、平面アンテナ３１において中心部から周辺部に向けて伝播し、その過程で複数のスロット３２から誘電体からなるマイクロ波透過板３８を透過して円偏波のマイクロ波がチャンバー１内へ放射されるが、誘電体からなるマイクロ波透過板２８を透過する際に反射波の発生等の影響により、マイクロ波が均一にチャンバー内に導入されず、例えば中央部のほうが周辺部よりも電界強度が高くなる等、誘電体内部の電界強度が不均一になるため、要求されるプラズマの均一性が得られない場合が生じ、必ずしも均一なプラズマ処理ができない。このため、酸化膜の膜厚均一性が５％前後となってしまう。

そこで、本実施形態では、平面アンテナ３１として、図２に示すように、平面アンテナ３１の面を同心状に中央領域３１ａ、外周領域３１ｃ、これらの中間領域３１ｂに分けた場合に、円偏波のマイクロ波を放射するマイクロ波放射孔３２の対が、中央領域３１ａおよび外周領域３１ｃには同心円状に複数配列され、中間領域３１ｂにはマイクロ波放射孔３２が形成されていないものを用いている。これにより、マイクロ波がマイクロ波透過板２８の中心部から周辺部に向けて伝播して、マイクロ波放射孔３２から放射する際に、均一に放射することができる。また、マイクロ波透過板２８のマイクロ波放射面には凹部２８ａが形成されているため、マイクロ波透過板２８の中央部の厚さが薄くなり、反射波の生成を抑えて効率よくマイクロ波を放射することができるとともに、平面アンテナ３１のスロット３２からの均一なマイクロ波を均一性を保ったまま放射することができる。このため、マイクロ波透過板２８のマイクロ波放射面の電界強度を大きくかつ均一にすることができ、プラズマ強度の面内均一性を高めることができる。特に、本実施形態の場合には、凹部２８ａの形状は断面アーチ状となっていて、凹部２８ａの径はウエハＷの径よりも大きく、かつ凹部２８ａのウエハＷに対応する部分はフラット形状をなしているので、ウエハＷに対応する部分に均一に電界が形成され、しかも、ウエハＷの側方からも電界が供給される。このため、ウエハＷ面内の電界強度の均一性が高い。

また、平面アンテナ３１に形成されたマイクロ波放射孔３２の対は、各マイクロ波放射孔３２の長手方向の一端が近接し、他端が広がるように形成されているので、マイクロ波パワーを効率良く均一にチャンバー１内に導入することができるという効果を得ることができる。また、これらの長手方向同士のなす角度を８０〜１００°、好ましくは８５〜９５°、例えば９０°程度とすることにより、チャンバー１内に導入するマイクロ波のパワー効率および均一性をより高めることができる。また、マイクロ波放射孔３２は、平面アンテナ３１の中心からその長手方向中心を通る線に対して、４５°に近い角度とすることにより、同様に、チャンバー１内に導入するマイクロ波のパワー効率および均一性をより高めることができる。さらに、中央領域３１ａに形成されているマイクロ波放射孔３２の長手方向の長さが、外周領域３１ｃに形成されているマイクロ波放射孔３２の長手方向の長さよりも短くすることにより、同様にマイクロ波のパワー効率および均一性をより高めることができる。

なお、上記実施形態ではマイクロ波透過板２８の凹部２８ａは、断面アーチ状としたが、これに限らず、図３Ａのような断面山形の凹部２８ｂ、図３Ｂのような断面台形状の凹部２８ｃ、図３Ｃのような断面矩形状の凹部２８ｄ、図３Ｄのような断付き形状を有する凹部２８ｅ、図３Ｅのようなドーム状の凹部２８ｆ等、種々の形状を採用することができる。ただし、図１のようなマイクロ波透過板２８が最も効果が高い。

次に、本発明の他の実施形態について説明する。
従前の実施形態では酸化処理を行うマイクロ波プラズマ処理装置について説明したが、本実施形態では酸化処理の代わりに窒化処理を行うものである。図４は本実施形態のマイクロ波プラズマ処理装置のガス供給系の部分を示す図である、図４に示すように、本実施形態では、ガス供給系１６の代わりに、Ａｒガス供給源１７′、Ｎ_２ガス供給源１８′を有するガス供給系１６′を用い、ＡｒガスおよびＮ_２ガスをチャンバー１内に供給しつつ同様に窒素のマイクロ波プラズマを形成して窒化処理を行うようにしており、それ以外の構成は図１と同様である。このときの窒化処理の条件としては、例えば、温度：３００〜８００℃、チャンバー１内の圧力：１．３〜１３３Ｐａ、Ａｒガス流量：０〜５０００ｍＬ／ｍｉｎ、Ｎ_２ガス流量：１〜１０００ｍＬ／ｍｉｎを挙げることができる。

次に、シミュレーション結果について説明する。ここでは、平面アンテナとして図２に示すものを用い、マイクロ波透過板として、フラット形状のもの、および図１の断面アーチ状のものを用いたマイクロ波プラズマ処理装置についてのシミュレーション結果を示す。このときの条件は以下の通りである。なお、シミュレーションはプラズマの電子密度がマイクロ波透過板の下面近傍で５〜９×１０^１０／ｃｍ^３、マイクロ波透過板の上面から６６．５ｍｍ下方の位置でのプラズマの電子密度が１×１０^１２／ｃｍ^３となるようにして行った。
境界条件：完全導体
マイクロ波周波数：２．４５Ｇ
入力パワー：２０００Ｗ
マイクロ波透過板：ＳｉＯ_２
誘電率：ＳｉＯ_２＝４．２、空気＝１．０
チャンバー内圧力：１３．３Ｐａ（１００ｍＴｏｒｒ）
温度：５００℃

まず、この条件でマイクロ波を供給しマイクロ波透過板からマイクロ波を放射した際のマイクロ波透過板の下面電界強度をシミュレートした。
図１の断面アーチ状のマイクロ波透過板を用いた場合には、図５Ａに示すように、マイクロ波透過板のアーチ部の下面に沿ったＬ１線で示す面の電界強度分布を求め、フラット形状のマイクロ波透過板を用いた場合には、図５Ｂに示すように、マイクロ波透過板の下面（Ｌ２線）の電界強度分布を求めた。その結果をそれぞれ図６Ａ、図６Ｂに示す。断面アーチ状のマイクロ波透過板の場合には、図６Ａに示すように、マイクロ波放射面である下面のウエハＷに対応する凹部における電界強度が高くかつ均一であるのに対し、フラット形状のマイクロ波透過板の場合には、図６Ｂに示すように、マイクロ波放射面である下面は、ウエハに対応する部分を含めた全体部分の電界強度が低くかつ不均一であった。

次に、マイクロ波透過板の高さ方向の電界強度をシミュレートした。
図１の断面アーチ状のマイクロ波透過板を用いた場合には、図７Ａに示すように、マイクロ波透過板の上面からその３０ｍｍ下方位置までの部分の電界強度分布を求め、フラット形状のマイクロ波透過板を用いた場合にも、図７Ｂに示すように、マイクロ波透過板の上面からその３０ｍｍ下方位置までの部分の電界強度分布を求めた。その結果をそれぞれ図８Ａ、図８Ｂに示す。断面アーチ状のマイクロ波透過板の場合には、図８Ａに示すように、全体的に電界強度が高く均一性も高いが、フラット形状のマイクロ波透過板の場合には、図８Ｂに示すように、電界強度の高い部分がまだらに存在し、電界強度および均一性ともに低いものであった。これは、誘電体であるマイクロ波透過板の内部をマイクロ波が透過する際に、反射波が生成する部分があるためと考えられる。

次に、シミュレーション結果から、パワーバランスを求めた。その結果、断面アーチ状のマイクロ波透過板を用いた場合には、２０００Ｗのトータルパワーのうち、チャンバーに入ったものが１３４４Ｗ、プラズマに吸収されたものが１３０１Ｗ、反射が６５６Ｗであった。一方、フラット形状のマイクロ波透過板を用いた場合には、２０００Ｗのトータルパワーのうち、チャンバーに入ったものが２３４Ｗ、プラズマに吸収されたものが２１６Ｗ、反射が１７６６Ｗであった。この結果から、本発明の場合に極めて効率よくマイクロ波を供給できることが確認された。

次に、実際にプラズマを形成し、酸化処理を行った結果について説明する。
ここでは、平面アンテナとして図２に示すものを用い、マイクロ波透過板として、フラット形状のもの、および図１の断面アーチ状のものをそれぞれ用いたマイクロ波プラズマ処理装置により、まず、実際に酸化プラズマを形成してプラズマ中の電子密度の分布を求めた。条件としては、チャンバー内圧力を１３３Ｐａ（１Ｔｏｒｒ）、Ａｒガス流量を１５００ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）、Ｏ_２ガス流量を１５０ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）とし、マイクロ波パワーを２０００Ｗ、３０００Ｗ、４０００Ｗと変化させた。その際の電子密度分布を図９および図１０に示す。これらの図に示すように、フラット形状のマイクロ波透過板を用いるよりも、断面アーチ状のマイクロ波透過板を用いるほうがプラズマ中の電子密度の均一性が高いことが確認された。

次に、同様の装置により、実際に酸化処理を行った。条件としては、チャンバー内圧力を２６６Ｐａ（２Ｔｏｒｒ）、Ａｒガス流量を２０００ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）、Ｏ_２ガス流量を２００ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）とし、マイクロ波パワーを２０００Ｗ、３０００Ｗ、４０００Ｗと変化させ、サセプタ温度を４００℃として３０ｓｅｃの酸化処理を行い、酸化膜の面内膜厚分布を求めた。

フラット形状のマイクロ波透過板を用いた場合には、２０００Ｗで平均膜厚が１．２２ｎｍ、ばらつきが３．３９％、３０００Ｗで平均膜厚が１．３４ｎｍ、ばらつきが２．２７％であったのに対し、断面アーチ状の図１のマイクロ波透過板を用いた場合には、２０００Ｗで平均膜厚が１．１６ｎｍ、ばらつきが０．９０％、３０００Ｗで平均膜厚が１．２６％、ばらつきが１．０２％であり、図２のアンテナと断面アーチ状のマイクロ波透過板の組み合わせにより、ウエハ面内における酸化膜の膜厚分布が小さくなることが確認された。

次に、実際にプラズマを形成し、窒化処理を行った結果について説明する。
ここでも同様に、平面アンテナとして図２に示すものを用い、マイクロ波透過板として、フラット形状のもの、および図１の断面アーチ状のものをそれぞれ用いたマイクロ波プラズマ処理装置を用いた。そしてまず、実際に窒化プラズマを形成してプラズマ中の電子密度の分布を求めた。条件としては、チャンバー内圧力を６．７Ｐａ（５０ｍＴｏｒｒ）、Ａｒガス流量を１０００ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）、Ｎ_２ガス流量を４０ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）とし、マイクロ波パワーを６００Ｗ、８００Ｗ、１０００Ｗ、１５００Ｗ、２０００Ｗと変化させた。その際の電子密度分布を図１１および図１２に示す。これらの図に示すように、窒化プラズマの場合には低圧でプラズマ生成を行うので、比較的高い圧力である酸化プラズマの場合と分布が異なっているが、やはりフラット形状のマイクロ波透過板ではプラズマの電子密度分布が不均一になる傾向にあり、断面アーチ状のマイクロ波透過板を用いるほうがプラズマ中の電子密度の均一性が高いことが確認された。

次に、同様の装置により、実際に窒化処理を行った。条件は上記の条件と同様、チャンバー内圧力を６．７Ｐａ（５０ｍＴｏｒｒ）、Ａｒガス流量を１０００ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）、Ｎ_２ガス流量を４０ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）とし、マイクロ波パワーを６００Ｗ、８００Ｗ、１０００Ｗ、１５００Ｗ、２０００Ｗと変化させ、サセプタ温度を２５０℃として３０ｓｅｃの窒化処理を行い、窒化膜の面内膜厚分布を求めた。

フラット形状のマイクロ波透過板を用いた場合には、８００Ｗにおいて窒化膜の膜厚が最も均一になり、平均膜厚が１．７４ｎｍ、ばらつきが１．２５％であったのに対し、断面アーチ状の図１のマイクロ波透過板を用いた場合には、１５００Ｗにおいて窒化膜の膜厚が最も均一になり、平均膜厚が２．０２ｎｍ、ばらつきが０．６２％であった。このことから、図２のアンテナと断面アーチ状のマイクロ波透過板の組み合わせにより、ウエハ面内における窒化膜の膜厚分布が小さくなることが確認された。

次に、本発明のさらに他の実施形態について説明する。
図１３は本発明のさらに他の実施形態に係るマイクロ波プラズマ処理装置を示す部分断面図である。図１３に示すように、ここではマイクロ波透過板２８として、その下面のマイクロ波透過面が凹凸状に形成されているものを用いている。具体的には、図１４の底面図にも示すように、凸部２８ｇと凹部２８ｈとが交互に同心円状に形成されている。

このような構成により、マイクロ波透過板２８の面内方向に定在波が形成されることを有効に防止することができ、このような凹凸状のマイクロ波透過板２８によっても、放射するマイクロ波の均一性を高め、かつ効率よくマイクロ波を放射することができる。

なお、凸部および凹部の配列は、必ずしも同心円状に限らず、他の種々の配列を適用することもできる。

次に、本発明のさらにまた他の実施例について説明する。
図１５は本発明のさらにまた他の実施形態に係るマイクロ波プラズマ処理装置を示す部分断面図である。図１５に示すに示すように、ここではマイクロ波透過板２８として、その外側端部に、マイクロ波放射面から下方に突出する環状の突出部２８ｉが形成されたものを用いている。

このようにすることにより、チャンバー１内で生成されたプラズマが外側に広がることを突出部２８ｉにより阻止することができ、支持部２７等の部材の損傷や異常放電等を有効に防止することができる。

なお、本発明は上記実施形態に限定されることなく、種々の変形が可能である。例えば上記実施形態では、本発明を酸化処理および窒化処理に適用した場合について示したが、これらに限らず他の表面に適用することもできる。また、このような表面処理に限らず、エッチング、レジストアッシングやＣＶＤ等の他のプラズマ処理にも適用することができる。また、上記実施形態では、被処理体として半導体ウエハを用いた場合を例にとって説明したが、これに限るものではなく、フラットパネルディスプレイ（ＦＰＤ）基板等、他の被処理体にも適用できることはいうまでもない。

Claims (9)

1. マイクロ波によって処理ガスのプラズマを形成し、そのプラズマにより被処理体にプラズマ処理を施すマイクロ波プラズマ処理装置であって、
   被処理体が収容されるチャンバーと、
   前記チャンバー内で被処理体を載置する載置台と、
   マイクロ波を発生させるマイクロ波発生源と、
   マイクロ波発生源で発生されたマイクロ波を前記チャンバーに向けて導く導波管と、
   前記導波管に導かれたマイクロ波を前記チャンバーに向けて放射する、導体からなる平面アンテナと、
   前記チャンバーの天壁を構成し、前記平面アンテナのマイクロ波放射孔を通過したマイクロ波を透過する、誘電体からなるマイクロ波透過板と、
   配管を介して前記チャンバー内に処理ガスを導入する処理ガス導入部とを具備し、
   前記平面アンテナは、その面を同心状に中央領域、外周領域、これらの中間領域に分けた場合に、前記中央領域および前記外周領域に複数のマイクロ波放射孔が形成され、
   前記中間領域にはマイクロ波放射孔が形成されておらず、前記中央領域および前記外周領域には、それぞれ内側に設けられた第１のマイクロ波放射孔と外側に設けられた第２のマイクロ波放射孔とが互いに向きの異なるように配置された複数のマイクロ波放射孔の対が同心円状に配列され、
   前記マイクロ波透過板は、その下面に凹部が形成され、その凹部は断面アーチ状をなし、かつ前記凹部の被処理体に対応する部分はフラットであり、前記外周領域に設けられた前記マイクロ波放射孔の対の前記第１のマイクロ波放射孔の少なくとも一部が前記凹部にかかるように配置されているマイクロ波プラズマ処理装置。
2. 前記マイクロ波放射孔の対は、前記第１のマイクロ波放射孔および前記第２のマイクロ波放射孔の長手方向の一端が近接し、他端が広がるように形成されている請求項１に記載のマイクロ波プラズマ処理装置。
3. 前記第１のマイクロ波放射孔の長手方向と前記第２のマイクロ波放射孔の長手方向とのなす角度が８０〜１００°である請求項２に記載のマイクロ波プラズマ処理装置。
4. 前記中央領域に形成されたマイクロ波放射孔の長手方向の長さは、前記外周領域に形成されたマイクロ波放射孔の長手方向の長さよりも短い請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のマイクロ波プラズマ処理装置。
5. 前記凹部は、被処理体の径よりも大きく形成されている請求項１から請求項４のいずれか１項に記載のマイクロ波プラズマ処理装置。
6. 前記マイクロ波透過板は、その下面の周縁部に下方に突出する環状をなす突出部を有する請求項１から請求項５のいずれか１項に記載のマイクロ波プラズマ処理装置。
7. 前記マイクロ波透過板の凹部に対応する部分の厚さは、１０〜３０ｍｍである請求項１から請求項６のいずれか１項に記載のマイクロ波プラズマ処理装置。
8. 前記凹部の高さは、１５〜２５ｍｍである請求項１から請求項７のいずれか１項に記載のマイクロ波プラズマ処理装置。
9. 前記中心領域の前記第１のマイクロ波放射孔の中心点と前記平面アンテナの中心との距離を１としたとき、前記外側領域の前記第１のマイクロ波放射孔の中心点と前記平面アンテナの中心との距離は２〜４である請求項１から請求項８のいずれか１項に記載のマイクロ波プラズマ処理装置。