JP7292173B2 - 処理方法及びプラズマ処理装置 - Google Patents

Description

本開示は、処理方法及びプラズマ処理装置に関する。

特許文献１には、マイクロ波を用いたプラズマクリーニングに関する技術が開示されている。プラズマクリーニングでは、プラズマ中のラジカルの化学的作用とイオンの物理的作用とによりクリーニング処理を実行する。

電磁波の放射口の近傍では電磁波エネルギーが集中し、プラズマ電子温度が高くなる傾向がある。プラズマ電子温度の上昇により電磁波の放射口の近傍にてイオンの衝撃によるダメージが生じることがある。

特開２０１７－１５７６２７号公報

本開示は、プラズマ電子密度を維持しつつ、プラズマ電子温度を下げることが可能な処理方法およびプラズマ処理装置を提供する。

本開示の一の態様によれば、基板を処理する処理容器内においてプラズマを用いて行う処理方法であって、ガスを前記処理容器内に供給する工程と、前記処理容器内に複数のマイクロ波導入モジュールから出力されるマイクロ波のパワーを間欠的に供給する工程と、を有し、前記マイクロ波のパワーを間欠的に供給する工程は、周期的に、複数の前記マイクロ波導入モジュールの全てのマイクロ波のパワーの供給を所与の時間オフの状態にする、処理方法が提供される。

一の側面によれば、プラズマ電子密度を維持しつつ、プラズマ電子温度を下げることができる。

一実施形態に係るプラズマ処理装置の一例を示す断面模式図。 図１に示した制御部の構成を示す説明図。 図１に示したマイクロ波導入モジュールの構成を示す説明図。 図３に示したマイクロ波導入機構を示す断面図。 図４に示したマイクロ波導入機構のアンテナ部を示す斜視図。 図４に示したマイクロ波導入機構の平面アンテナを示す平面図。 図１に示した処理容器の天壁の底面図。 一実施形態に係るクリーニング処理におけるパルスプラズマのＴ_ｅ及びＮ_ｅの評価結果の一例を示す図。 一実施形態に係る複数のマイクロ波導入モジュールから出力されるマイクロ波のパワーのオン及びオフの一例を示す図。 一実施形態に係る複数のマイクロ波導入モジュールから出力されるマイクロ波のパワーを同期するグループの一例を示す図。 一実施形態に係る複数のマイクロ波導入モジュールからのパワーのオン及びオフの一例を示す図。 一実施形態に係る複数のマイクロ波導入モジュールからのパワーのオン及びオフの他の例を示す図。 一実施形態に係る処理方法の一例を示すフローチャート。 一実施形態に係る複数のマイクロ波導入モジュールを用いたクリーニング処理方法の一例を示すフローチャート。

以下、図面を参照して本開示を実施するための形態について説明する。各図面において、同一構成部分には同一符号を付し、重複した説明を省略する場合がある。

[プラズマ処理装置]
まず、図１及び図２を参照して、一実施形態に係るプラズマ処理装置１の概略の構成について説明する。図１は、一実施形態に係るプラズマ処理装置１の一例を示す断面模式図である。図２は、図１に示した制御部８の構成の一例を示す説明図である。本実施形態に係るプラズマ処理装置１は、連続する複数の動作を伴って、例えば半導体デバイス製造用の半導体ウエハを一例とする基板Ｗに対して、成膜処理、拡散処理、エッチング処理、アッシング処理等の所定の処理を施す装置である。

プラズマ処理装置１は、処理容器２と載置台２１とガス供給機構３と排気装置４とマイクロ波導入モジュール５と制御部８とを有する。処理容器２は、被処理体である基板Ｗを収容し、内部においてプラズマを用いて基板Ｗを処理する。載置台２１は、処理容器２の内部に配置され、基板Ｗを載置する載置面２１ａを有する。ガス供給機構３は、処理容器２内にガスを供給する。排気装置４は、処理容器２内を減圧排気する。マイクロ波導入モジュール５は、処理容器２内にプラズマを生成させるためのマイクロ波を導入する。制御部８は、プラズマ処理装置１の各部を制御する。

処理容器２は、例えば略円筒形状を有する。処理容器２は、例えばアルミニウム及びその合金等の金属材料によって形成されている。マイクロ波導入モジュール５は、処理容器２の上部に設けられ、処理容器２内に電磁波（本実施形態ではマイクロ波）を導入してプラズマを生成するプラズマ生成手段として機能する。

処理容器２は、板状の天壁１１、底壁１３、及び天壁１１と底壁１３とを連結する側壁１２とを有している。天壁１１は、複数の開口部を有している。側壁１２は、処理容器２に隣接する図示しない搬送室との間で基板Ｗの搬入出を行うための搬入出口１２ａを有している。処理容器２と図示しない搬送室との間には、ゲートバルブＧが配置されている。ゲートバルブＧは、搬入出口１２ａを開閉する機能を有している。ゲートバルブＧは、閉状態で処理容器２を気密にシールすると共に、開状態で処理容器２と図示しない搬送室との間で基板Ｗの移送を可能にする。

底壁１３は、複数（図１では２つ）の排気口１３ａを有している。プラズマ処理装置１は、更に、排気口１３ａと排気装置４とを接続する排気管１４を有する。排気装置４は、ＡＰＣバルブと、処理容器２の内部空間を所定の真空度まで高速に減圧することが可能な高速真空ポンプとを有している。このような高速真空ポンプとしては、例えばターボ分子ポンプ等がある。排気装置４の高速真空ポンプを作動させることによって、処理容器２は、その内部空間が所定の真空度、例えば０．１３３Ｐａまで減圧される。

プラズマ処理装置１は、更に、処理容器２内において載置台２１を支持する支持部材２２と、支持部材２２と底壁１３との間に設けられた絶縁部材２３とを有する。載置台２１は、基板Ｗを水平に載置するためのものである。支持部材２２は、底壁１３の中央から処理容器２の内部空間に向かって延びる円筒状の形状を有している。載置台２１および支持部材２２は、例えば表面にアルマイト処理（陽極酸化処理）が施されたアルミニウム等によって形成されている。

プラズマ処理装置１は、更に、載置台２１に高周波電力を供給する高周波バイアス電源２５と、載置台２１と高周波バイアス電源２５との間に設けられた整合器２４とを有する。高周波バイアス電源２５は、基板Ｗにイオンを引き込むために、載置台２１に高周波電力を供給する。整合器２４は、高周波バイアス電源２５の出力インピーダンスと負荷側（載置台２１側）のインピーダンスを整合させるための回路を有する。

プラズマ処理装置１は、更に、載置台２１を加熱または冷却する、図示しない温度制御機構を有してもよい。温度制御機構は、例えば、基板Ｗの温度を、２５℃（室温）～９００℃の範囲内で制御する。

プラズマ処理装置１は、更に、複数のガス導入管１６と複数のガス導入管１７とを有する。ガス導入管１６は天壁１１に設けられ、その下面に形成されたガス供給孔１６ａから第１ガスを供給する。ガス導入管１７も同様に天壁１１に設けられ、その下面に形成されたガス供給孔１７ａから第２ガスを供給する。ただし、ガス導入管１６及びガス導入管１７は、天壁１１及び／又は側壁１２から突出し得る。ガス導入管１６及びガス導入管１７の開口は、ガス供給孔１６ａ及びガス供給孔１７ａの細孔から拡大し、処理空間に開口するディンプル構造となっている。これにより、ガス供給孔１６ａ及びガス供給孔１７ａの開口を広げることで、電磁波エネルギーの集中を低減し、異常放電を防止する。

ガス供給源３１は、例えば、プラズマ生成用の希ガスや、酸化処理、窒化処理、成膜処理、エッチング処理およびアッシング処理に使用されるガス等のガス供給源として用いられる。例えば、ガス導入管１６及びガス導入管１７からは、異なるガス種の処理ガスが供給され得る。例えば、クリーニング処理では、ＮＦ_３ガス等のフッ素含有ガスをガス導入管１６から供給し、Ａｒガス、Ｈｅガス等の希ガスをガス導入管１７から供給してもよい。希ガスは、プラズマ安定化のためにフッ素含有ガスに添加される。

ガス供給機構３は、ガス供給源３１を含むガス供給装置３ａと、ガス供給源３１と複数のガス導入管１６とを接続する配管３２ａと、ガス供給源３１と複数のガス導入管１７とを接続する配管３２ｂとを有している。なお、図１では、１つのガス供給源３１を図示しているが、ガス供給装置３ａは、使用されるガスの種類に応じて複数のガス供給源を含んでいてもよい。

ガス供給装置３ａは、更に、配管３２ａ、３２ｂの途中に設けられた図示しないマスフローコントローラおよび開閉バルブを含んでいる。処理容器２内に供給されるガスの種類や、これらのガスの流量等は、マスフローコントローラおよび開閉バルブによって制御される。

プラズマ処理装置１の各構成部は、それぞれ制御部８に接続されて、制御部８によって制御される。制御部８は、典型的にはコンピュータである。図２に示した例では、制御部８は、ＣＰＵを備えたプロセスコントローラ８１、プロセスコントローラ８１に接続されたユーザーインターフェース８２及び記憶部８３を有する。

プロセスコントローラ８１は、プラズマ処理装置１において、例えば温度、圧力、ガス流量、バイアス印加用の高周波電力、マイクロ波の出力等のプロセス条件に関係する各構成部を統括して制御する制御手段である。各構成部は、例えば、高周波バイアス電源２５、ガス供給装置３ａ、排気装置４、マイクロ波導入モジュール５等が挙げられる。

ユーザーインターフェース８２は、工程管理者がプラズマ処理装置１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タッチパネル、プラズマ処理装置１の稼働状況を可視化して表示するディスプレイ等を有している。

記憶部８３には、プラズマ処理装置１で実行される各種処理をプロセスコントローラ８１の制御によって実現するための制御プログラムや、処理条件データ等が記録されたレシピ等が保存されている。プロセスコントローラ８１は、ユーザーインターフェース８２からの指示等、必要に応じて任意の制御プログラムやレシピを記憶部８３から呼び出して実行する。これにより、プロセスコントローラ８１による制御下で、プラズマ処理装置１の処理容器２内において所望の処理が行われる。

上記の制御プログラムおよびレシピは、例えば、フラッシュメモリ、ＤＶＤ、ブルーレイディスク等のコンピュータ読み取り可能な記憶媒体に格納された状態のものを利用することができる。また、上記のレシピは、他の装置から、例えば専用回線を介して随時伝送させてオンラインで利用することも可能である。

次に、図１～図６を参照して、マイクロ波導入モジュール５の構成について説明する。図３は、図１に示したマイクロ波導入モジュール５の構成を示す説明図である。図４は、図３に示したマイクロ波導入機構６３を示す断面図である。図５は、図４に示したマイクロ波導入機構６３のアンテナ部を示す斜視図である。図６は、図４に示したマイクロ波導入機構６３の平面アンテナを示す平面図である。

マイクロ波導入モジュール５は、処理容器２の上部に設けられ、処理容器２内に電磁波（マイクロ波）を導入する。図１に示すように、マイクロ波導入モジュール５は、導電性部材である天壁１１とマイクロ波出力部５０とアンテナユニット６０とを有する。天壁１１は、処理容器２の上部に配置され、複数の開口部を有する。マイクロ波出力部５０は、マイクロ波を生成すると共に、マイクロ波を複数の経路に分配して出力する。アンテナユニット６０は、マイクロ波出力部５０から出力されたマイクロ波を処理容器２に導入する。本実施形態では、処理容器２の天壁１１は、マイクロ波導入モジュール５の導電性部材を兼ねている。

図３に示すようにマイクロ波出力部５０は、電源部５１と、マイクロ波発振器５２と、マイクロ波発振器５２によって発振されたマイクロ波を増幅するアンプ５３と、アンプ５３によって増幅されたマイクロ波を複数の経路に分配する分配器５４とを有している。マイクロ波発振器５２は、所定の周波数（例えば、２．４５ＧＨｚ）でマイクロ波を発振させる。なお、マイクロ波の周波数は、２．４５ＧＨｚに限らず、８．３５ＧＨｚ、５．８ＧＨｚ、１．９８ＧＨｚ等であってもよい。また、このようなマイクロ波出力部５０は、マイクロ波の周波数を例えば８６０ＭＨｚ等、８００ＭＨｚから１ＧＨｚの範囲内とする場合にも適用することが可能である。分配器５４は、入力側と出力側のインピーダンスを整合させながらマイクロ波を分配する。

アンテナユニット６０は、複数のアンテナモジュール６１を含んでいる。複数のアンテナモジュール６１は、それぞれ、分配器５４によって分配されたマイクロ波を処理容器２内に導入する。本実施形態では、複数のアンテナモジュール６１の構成は全て同一である。各アンテナモジュール６１は、分配されたマイクロ波を主に増幅して出力するアンプ部６２と、アンプ部６２から出力されたマイクロ波を処理容器２内に導入するマイクロ波導入機構６３とを有している。アンテナモジュール６１は、処理容器２の天壁１１に配置され、マイクロ波を処理容器２内に導入するマイクロ波導入モジュール（電磁波導入モジュール）に対応する。

アンプ部６２は、位相器６２Ａと可変ゲインアンプ６２Ｂとメインアンプ６２Ｃとアイソレータ６２Ｄとを有する。位相器６２Ａは、マイクロ波の位相を変化させる。可変ゲインアンプ６２Ｂは、メインアンプ６２Ｃに入力されるマイクロ波の電力レベルを調整する。メインアンプ６２Ｃは、ソリッドステートアンプとして構成される。アイソレータ６２Ｄは、マイクロ波導入機構６３のアンテナ部で反射されてメインアンプ６２Ｃに向かう反射マイクロ波を分離する。

位相器６２Ａは、マイクロ波の位相を変化させて、マイクロ波の放射特性を変化させる。位相器６２Ａは、例えば、アンテナモジュール６１毎にマイクロ波の位相を調整することによって、マイクロ波の指向性を制御してプラズマの分布を変化させることに用いられる。なお、このような放射特性の調整を行わない場合には、位相器６２Ａを設けなくてもよい。

可変ゲインアンプ６２Ｂは、個々のアンテナモジュール６１のばらつきの調整や、プラズマ強度の調整のために用いられる。例えば、可変ゲインアンプ６２Ｂをアンテナモジュール６１毎に変化させることによって、処理容器２内全体のプラズマの分布を調整することができる。

メインアンプ６２Ｃは、例えば、図示しない入力整合回路、半導体増幅素子、出力整合回路および高Ｑ共振回路を含んでいる。半導体増幅素子としては、例えば、Ｅ級動作が可能なＧａＡｓＨＥＭＴ、ＧａＮＨＥＭＴ、ＬＤ（Ｌａｔｅｒａｌｌｙ Ｄｉｆｆｕｓｅｄ）－ＭＯＳが用いられる。

アイソレータ６２Ｄは、サーキュレータとダミーロード（同軸終端器）とを有している。サーキュレータは、マイクロ波導入機構６３のアンテナ部で反射された反射マイクロ波をダミーロードへ導くものである。ダミーロードは、サーキュレータによって導かれた反射マイクロ波を熱に変換するものである。なお、前述のように、本実施形態では、複数のアンテナモジュール６１が設けられており、複数のアンテナモジュール６１の各々のマイクロ波導入機構６３によって処理容器２内に導入された複数のマイクロ波は、処理容器２内において合成される。そのため、個々のアイソレータ６２Ｄは小型のものでもよく、アイソレータ６２Ｄをメインアンプ６２Ｃに隣接して設けることができる。

図１に示したように、複数のマイクロ波導入機構６３は、天壁１１に設けられている。図４に示したように、マイクロ波導入機構６３は、インピーダンスを整合させるチューナ６４と、増幅されたマイクロ波を処理容器２内に放射するアンテナ部６５とを有している。更に、マイクロ波導入機構６３は、金属材料よりなり、図４における上下方向に延びる円筒状の形状を有する本体容器６６と、本体容器６６内において本体容器６６が延びる方向と同じ方向に延びる内側導体６７とを有している。本体容器６６および内側導体６７は、同軸管を構成している。本体容器６６は、この同軸管の外側導体を構成している。内側導体６７は、棒状または筒状の形状を有している。本体容器６６の内周面と内側導体６７の外周面との間の空間は、マイクロ波伝送路６８を形成する。

アンテナモジュール６１は、更に、図示しない本体容器６６の基端側（上端側）に設けられた給電変換部を有している。給電変換部は、同軸ケーブルを介してメインアンプ６２Ｃに接続されている。アイソレータ６２Ｄは、同軸ケーブルの途中に設けられている。アンテナ部６５は、本体容器６６における給電変換部とは反対側に設けられている。後で説明するように、本体容器６６におけるアンテナ部６５よりも基端側の部分は、チューナ６４によるインピーダンス調整範囲となっている。

図４及び図５に示したように、アンテナ部６５は、内側導体６７の下端部に接続された平面アンテナ７１と、平面アンテナ７１の上面側に配置されたマイクロ波遅波材７２と、平面アンテナ７１の下面側に配置されたマイクロ波透過板７３とを有している。マイクロ波透過板７３の下面は、処理容器２の内部空間に露出している。マイクロ波透過板７３は、本体容器６６を介して、マイクロ波導入モジュール５の導電性部材である天壁１１の開口部に嵌合している。マイクロ波透過板７３は、本実施形態におけるマイクロ波透過窓に対応する。

平面アンテナ７１は、円板形状を有している。また、平面アンテナ７１は、平面アンテナ７１を貫通するように形成されたスロット７１ａを有している。図５及び図６に示した例では、４つのスロット７１ａが設けられており、各スロット７１ａは、４つに均等に分割された円弧形状を有している。なお、スロット７１ａの数は、４つに限らず、５つ以上であってもよいし、１つ以上、３つ以下であってもよい。

マイクロ波遅波材７２は、真空よりも大きい誘電率を有する材料によって形成されている。マイクロ波遅波材７２を形成する材料としては、例えば、石英、セラミックス、ポリテトラフルオロエチレン樹脂等のフッ素系樹脂、ポリイミド樹脂等を用いることができる。マイクロ波は、真空中ではその波長が長くなる。マイクロ波遅波材７２は、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。また、マイクロ波の位相は、マイクロ波遅波材７２の厚みによって変化する。そのため、マイクロ波遅波材７２の厚みによってマイクロ波の位相を調整することにより、平面アンテナ７１が定在波の腹の位置になるように調整することができる。これにより、平面アンテナ７１における反射波を抑制することができると共に、平面アンテナ７１から放射されるマイクロ波の放射エネルギーを大きくすることができる。つまり、これにより、マイクロ波のパワーを効率よく処理容器２内に導入することができる。

マイクロ波透過板７３は、誘電体材料によって形成されている。マイクロ波透過板７３を形成する誘電体材料としては、例えば石英やセラミックス等が用いられる。マイクロ波透過板７３は、マイクロ波をＴＥモードで効率的に放射することができるような形状をなしている。図５の例では、マイクロ波透過板７３は、直方体形状を有している。なお、マイクロ波透過板７３の形状は、直方体形状に限らず、例えば円柱形状、五角形柱形状、六角形柱形状、八角形柱形状であってもよい。

かかる構成のマイクロ波導入機構６３では、メインアンプ６２Ｃで増幅されたマイクロ波は、本体容器６６の内周面と内側導体６７の外周面との間のマイクロ波伝送路６８を通って平面アンテナ７１に達する。そして、平面アンテナ７１のスロット７１ａからマイクロ波透過板７３を透過して処理容器２の内部空間に放射される。

チューナ６４は、スラグチューナを構成している。具体的には、図４に示したように、チューナ６４は、本体容器６６のアンテナ部６５よりも基端側（上端側）の部分に配置される２つのスラグ７４Ａ、７４Ｂを有している。更に、チューナ６４は、２つのスラグ７４Ａ、７４Ｂを動作させるアクチュエータ７５と、このアクチュエータ７５を制御するチューナコントローラ７６とを有している。

スラグ７４Ａ、７４Ｂは、板状且つ環状の形状を有し、本体容器６６の内周面と内側導体６７の外周面との間に配置されている。また、スラグ７４Ａ、７４Ｂは、誘電体材料によって形成されている。スラグ７４Ａ、７４Ｂを形成する誘電体材料としては、例えば、比誘電率が１０の高純度アルミナを用いることができる。高純度アルミナは、通常、スラグを形成する材料として用いられている石英（比誘電率３．８８）やテフロン（登録商標）（比誘電率２．０３）よりも比誘電率が大きいため、スラグ７４Ａ、７４Ｂの厚みを小さくすることができる。また、高純度アルミナは、石英やテフロン（登録商標）に比べて、誘電正接（ｔａｎδ）が小さく、マイクロ波の損失を小さくすることができるという特徴を有している。高純度アルミナは、更に、歪みが小さいという特徴と、熱に強いという特徴も有している。高純度アルミナとしては、純度９９．９％以上のアルミナ焼結体であることが好ましい。また、高純度アルミナとして、単結晶アルミナ（サファイア）を用いてもよい。

チューナ６４は、チューナコントローラ７６からの指令に基づいて、アクチュエータ７５によって、スラグ７４Ａ、７４Ｂを上下方向に移動させる。これにより、チューナ６４は、インピーダンスを調整する。例えば、チューナコントローラ７６は、終端部のインピーダンスが例えば５０Ωになるように、スラグ７４Ａ、７４Ｂの位置を調整する。

本実施形態では、メインアンプ６２Ｃ、チューナ６４および平面アンテナ７１は、互いに近接して配置されている。特に、チューナ６４および平面アンテナ７１は、集中定数回路を構成し、且つ共振器として機能する。平面アンテナ７１の取り付け部分には、インピーダンス不整合が存在する。本実施形態では、チューナ６４によって、プラズマを含めて高精度でチューニングすることができ、平面アンテナ７１における反射の影響を解消することができる。また、チューナ６４によって、平面アンテナ７１に至るまでのインピーダンス不整合を高精度で解消することができ、実質的に不整合部分をプラズマ空間とすることができる。これにより、チューナ６４によって、高精度のプラズマ制御が可能になる。

次に、図７を参照して、図１に示した処理容器２の天壁１１の底面について説明する。図７は、図１に示した処理容器２の天壁１１の底面の一例を示す図である。以下の説明では、マイクロ波透過板７３は円柱形状を有するものとする。

マイクロ波導入モジュール５は、複数のマイクロ波透過板７３を含んでいる。前述のように、マイクロ波透過板７３は、マイクロ波透過窓に対応する。複数のマイクロ波透過板７３は、マイクロ波導入モジュール５の導電性部材である天壁１１の複数の開口部に嵌合した状態で、載置台２１の載置面２１ａに平行な１つの仮想の平面上に配置されている。また、複数のマイクロ波透過板７３は、上記仮想の平面において、その中心点間の距離が互いに等しいか、ほぼ等しい３つのマイクロ波透過板７３を含んでいる。なお、中心点間の距離がほぼ等しいというのは、マイクロ波透過板７３の形状精度やアンテナモジュール６１（マイクロ波導入機構６３）の組み立て精度等の観点から、マイクロ波透過板７３の位置は、所望の位置からわずかにずれていてもよいことを意味する。

本実施形態では、複数のマイクロ波透過板７３は、六方最密配置になるように配置された７つのマイクロ波透過板７３からなるものである。具体的には、複数のマイクロ波透過板７３は、７つのマイクロ波透過板７３Ａ～７３Ｇを有する。そのうちの６つのマイクロ波透過板７３Ａ～７３Ｆは、その中心点がそれぞれ正六角形の頂点に一致又はほぼ一致するように配置されている。１つのマイクロ波透過板７３Ｇは、その中心点が正六角形の中心に一致又はほぼ一致するように配置されている。なお、頂点又は中心点にほぼ一致するとは、マイクロ波透過板７３の形状精度やアンテナモジュール６１（マイクロ波導入機構６３）の組み立て精度等の観点からマイクロ波透過板７３の中心点は上記の頂点または中心からわずかにずれていてもよいことを意味する。

図７に示したように、マイクロ波透過板７３Ｇは、天壁１１における中央部分に配置されている。６つのマイクロ波透過板７３Ａ～７３Ｆは、マイクロ波透過板７３Ｇを囲むように、天壁１１の中央部分よりも外側に配置されている。従って、マイクロ波透過板７３Ｇは、中心マイクロ波透過窓に対応し、マイクロ波透過板７３Ａ～７３Ｆは、外側マイクロ波透過窓に対応する。なお、本実施形態において、「天壁１１における中央部分」というのは、「天壁１１の平面形状における中央部分」を意味する。

本実施形態では、全てのマイクロ波透過板７３において、互いに隣接する任意の３つのマイクロ波透過板７３の中心点間の距離は、互いに等しいか、ほぼ等しくなる。ガス導入管１６は、外側のマイクロ波透過板７３Ａ～７３Ｆと中心のマイクロ波透過板７３Ｇとの間にて周方向に等間隔に６つ配置される。ガス導入管１６は、その先端に形成されたガス供給孔１６ａから処理容器２内に第１ガスを供給する。６つのガス導入管１６の間には周方向に６つのガス導入管１７が配置される。ガス導入管１７は、隣接するガス導入管１６の間に配置される。ガス導入管１７は、その先端に形成されたガス供給孔１７ａから処理容器２内に第２ガスを供給する。

［クリーニング処理の評価結果］
次に、図８を参照しながら、プラズマ処理装置１の制御部８の制御により行われるクリーニング処理の評価結果について説明する。図８は、一実施形態に係るクリーニング処理において生成されたプラズマのプラズマ電子温度Ｔ_ｅ及びプラズマ電子密度Ｎ_ｅの評価結果の一例を示す図である。図８の横軸は時間ｔ（ｍｓ）を示し、縦軸はプラズマ電子密度Ｎ_ｅ及びプラズマ電子温度Ｔ_ｅを示す。

本実施形態に係るクリーニング処理では、ガス導入管１６及びガス導入管１７から処理容器２内にクリーニングガスを供給した。また、マイクロ波導入モジュール５からのマイクロ波のパワーを処理容器２内に間欠的に供給した。これにより、クリーニングガスを励起させてプラズマを生成させた。マイクロ波導入モジュール５からのマイクロ波のパワーは、例えばＤｕｔｙ比が５０％でオン及びオフを繰り返すように制御した。つまり、図８のマイクロ波のパワーをオンする「Ｐｕｌｓｅ ＯＮ」の時間と、マイクロ波のパワーをオフする「Ｐｕｌｓｅ ＯＦＦ」の時間とは同一時間で周期的に繰り返されるようにした。また、処理容器２の圧力を２０Ｐａ、マイクロ波のパワーを１００Ｗとした。かかる条件において生成されたプラズマについて、天壁１１の底面から９０ｍｍ下方のプラズマ電子密度Ｎ_ｅ及びプラズマ電子温度Ｔ_ｅを測定した結果の一例を図８に示す。

「Ｐｕｌｓｅ ＯＮ」の時間、マイクロ波のパワーによりクリーニングガスからプラズマが生成される。生成されたプラズマ中のラジカル（例えば、Ｆラジカル）の化学的作用及びイオン（例えば、Ａｒイオン）の物理的作用により、処理容器２の内部のクリーニングを行う。一例としては、クリーニングガスとしてＮＦ_３ガスをガス導入管１６から供給し、Ａｒガスをガス導入管１７から供給するが、クリーニングガスとしてフッ素含有ガス及び希ガスを含むガスを供給すればよい。その際、フッ素含有ガス及び希ガスの一方をガス導入管１６から供給し、他方をガス導入管１７から供給してもよい。

図８に示すように、マイクロ波のパワーが「Ｐｕｌｓｅ ＯＮ」（以下、単に「オン又はオン状態」ともいう。）から「Ｐｕｌｓｅ ＯＦＦ」（以下、単に「オフ又はオフ状態」ともいう。）へ周期的に変わるとき、プラズマ電子温度Ｔ_ｅは急激に上がる。その後、プラズマ電子温度Ｔ_ｅは急激に下がって３００μｓ前後で低温状態で安定する。なお、マイクロ波のパワーがオフからオンへ周期的に変わるときにも、プラズマ電子温度Ｔ_ｅは瞬間的に上がり、その後、下がる。

一方、プラズマ電子密度Ｎ_ｅは、マイクロ波のパワーをオンからオフへ切り替えた時、プラズマ電子温度Ｔ_ｅのようなピークは発生しない。マイクロ波のパワーのオンからオフへの切り替え時のプラズマ電子密度Ｎ_ｅの最大値をＮ_ｅmaxとしたとき、最大値Ｎ_ｅmaxの半分のプラズマ電子密度（＝Ｎ_ｅmax／２）になるまでにかかる時間は、１．０ｍｓ前後である。

以上から、マイクロ波のパルス波のオフ時間を３００μｓ前後に制御すれば、プラズマ電子密度Ｎ_ｅを維持しつつ、プラズマ電子温度Ｔ_ｅを下げることができ、これにより、プラズマ（特にイオン）によるダメージを低減させながら処理容器２内のクリーニング処理を実行できる。ただし、マイクロ波のパルス波のオフ時間は約３００μｓに限られず、３０μｓ～５００μｓの範囲内であってもよい。これにより、プラズマ電子密度Ｎ_ｅを維持しながら、プラズマ電子温度Ｔ_ｅを下げてイオンによるダメージを低減させることができる。

複数のマイクロ波導入モジュール５を有するプラズマ処理装置１において、従来、複数のマイクロ波導入モジュール５から連続してマイクロ波を供給し、マイクロ波のパワーによりクリーニングガスからプラズマを生成してプラズマクリーニングを行っていた。そうすると、例えば８６０ＭＨｚの比較的周波数の高いマイクロ波の放射口になるマイクロ波透過板７３の近傍、すなわち、天壁１１の底面のマイクロ波透過板７３の近傍において電磁波エネルギーが集中し、電子温度が高くなる傾向がある。この電子温度の上昇によりマイクロ波透過板７３の近傍でセルフバイアスが大きくなり、シース内でイオンが加速され、マイクロ波透過板７３の近傍にてイオンの衝撃により、天壁１１の底面等にダメージを与えることがある。

そこで、本実施形態に係るクリーニング処理では、マイクロ波を連続的に放射するのではなくパルス波として放射し、プラズマを生成してクリーニングを行う。さらに、マイクロ波のパルス波を放射する場合、複数のマイクロ波のパルス波のオン及びオフを同期させて放射するか、複数のマイクロ波のパルス波を非同期（例えばランダム）に放射するか、又はそれらを組み合わせて制御し、クリーニング処理を行う。マイクロ波のパルス波を使用すると、プラズマ電子温度Ｔ_ｅを下げつつ、プラズマ電子密度Ｎ_ｅを維持できる。

すなわち、本実施形態に係る処理方法では、ガスを処理容器２内に供給する工程と、複数のマイクロ波導入モジュール５から出力されるマイクロ波のパワーを処理容器２内に間欠的に供給する工程とを有する。そして、マイクロ波のパワーを間欠的に供給する工程は、周期的に、複数のマイクロ波導入モジュール５の全てのマイクロ波のパワーの供給を所与の時間オフの状態にする。「所与の時間」は、例えば約３００μｓであってもよく、３０μｓ～５００μｓの範囲内であることが好ましい。かかる処理方法によれば、周期的に、複数のマイクロ波導入モジュール５の全てのパワーの供給を「所与の時間」オフの状態にする。これにより、図８に示すように、プラズマ電子密度Ｎ_ｅを維持しながら、プラズマ電子温度Ｔ_ｅを下げることができる。このように本実施形態に係る処理方法では、周期的に、７つのマイクロ波導入モジュール５の全てのパワーの供給を所与の時間オフに制御する。

シース内にはエネルギーの高い電子及びイオンが溜まっている。マイクロ波のパワーをオンからオフ又はオフからオンに切り替えたとき、プラズマの状態が変化する。一方、プラズマは自己の状態を維持しようとする性質がある。このため、前記切り替え時にはプラズマが自己の状態を維持しようとして、シース内のエネルギーの高い電子等が移動する。このようなエネルギーの解放を抑制しようとする電子及びイオンの動きにより、マイクロ波のパワーをオン又はオフした瞬間、プラズマ電子温度Ｔ_ｅが急激に上がり、その後下がる現象が生じる。

次の式（１）によれば、イオンのエネルギーＥ_ｉｏｎが高い状態では、プラズマ電子温度Ｔ_ｅが上昇することがわかる。つまり、エネルギーの解放を抑制しようとする電子及びイオンの動きによりイオンのエネルギーＥ_ｉｏｎが高くなるために、マイクロ波のパワーをオン又はオフした瞬間、プラズマ電子温度Ｔ_ｅが上昇する。

なお、式（１）のＭはガス中の希ガス（例えばＡｒガス）の分子の質量であり、ｍは電子の質量である。

これに対して、本実施形態に係る処理方法では、マイクロ波のパワーをオン又はオフした後、プラズマ電子密度Ｎ_ｅが下がりきらないタイミングで、再びオン又はオフするようにマイクロ波をパルス状に印加する。図８では、プラズマ電子密度Ｎ_ｅが下がりきらないタイミングとして、プラズマ電子密度Ｎ_ｅが最大値（Ｎ_ｅmax）の１／２以上のタイミングを一つの例として挙げている。

例えば、図９に示すように、７つの（複数の）マイクロ波導入モジュール５から出力されるマイクロ波のパワーを同期させて間欠的に印加してもよい。ここでは、７つのマイクロ波導入モジュール５から出力されるマイクロ波のパルス波のオン及びオフを同一又はほぼ同一のタイミングに行う。このように複数のマイクロ波のパルス波を同期させて印加し、所与の時間全てのマイクロ波のパワーをオフの状態にすることでマイクロ波のオン及びオフの切り替え時の電子温度Ｔ_ｅの上昇によるダメージを軽減することができる。全てのマイクロ波がオフ状態になる所与の時間は、例えば３００μｓが最適であり、３０μｓ～５００μｓの範囲内が好ましい。

また、複数のマイクロ波のパルス波を非同期に印加することによってもマイクロ波のオン及びオフの切り替え時の電子温度Ｔ_ｅの上昇を抑制する効果を得ることができる。複数のマイクロ波のパルス波を非同期に印加する方法の一例としては、所与の時間以外の時間について、複数のマイクロ波導入モジュール５から出力されるマイクロ波のパワーのオン及びオフのタイミングをランダムに設定する方法が挙げられる。この場合においても全てのマイクロ波がオフ状態になる所与の時間は、例えば３００μｓが最適であり、３０μｓ～５００μｓの範囲内が好ましい。

以上に説明したように、本実施形態に係る処理方法では、複数のマイクロ波導入モジュール５から出力されるマイクロ波のパワーのオン及びオフのタイミングが同期していてもよいし、非同期であってもよい。同期している場合には、複数のマイクロ波導入モジュール５から出力されるマイクロ波のパルス波のオン及びオフのタイミングが一致していてもよいし、少なくともいずれかのマイクロ波のパルス波のオン及びオフのタイミングがずれていてもよい。

ただし、マイクロ波のパルス波のオン及びオフのタイミングを一致させると、７つのマイクロ波導入モジュール５のオンとオフとが同じタイミングに切り替えられるため、オンからオフ又はオフからオンの切り替え時にプラズマ電子温度Ｔ_ｅがより上昇し易くなる。

そこで、７つのマイクロ波導入モジュール５のマイクロ波のパルス波の少なくともいずれかのオン及びオフのタイミングをずらすことが好ましい。例えば、７つのマイクロ波導入モジュール５のマイクロ波のオン及びオフのタイミングをずらす場合について、図１０～図１２を参照しながら説明する。図１０は、一実施形態に係る複数のマイクロ波導入モジュールから出力されるマイクロ波のパワーを同期するグループの一例を示す図である。図１１は、一実施形態に係る複数のマイクロ波導入モジュールからのパワーのオン及びオフの一例を示す図である。図１２は、一実施形態に係る複数のマイクロ波導入モジュールからのパワーのオン及びオフの他の例を示す図である。

例えば、図１０に示すように、ケース１では、マイクロ波透過板７３Ｂ、７３Ｅから出力されるマイクロ波のグループを第１グループ（第１Ｇ）とする。マイクロ波透過板７３Ｃ、７３Ｆから出力されるマイクロ波のグループを第２グループ（第２Ｇ）とする。マイクロ波透過板７３Ａ、７３Ｄから出力されるマイクロ波のグループを第３グループ（第３Ｇ）とする。

この場合、図１１に示すように、マイクロ波透過板７３から出力される全てのマイクロ波は、ＮＦ_３ガス及びＡｒガスを供給後にオンされる。図１１の「第１Ｇ」のマイクロ波は、ＮＦ_３ガス及びＡｒガスを供給後に最初にオンの状態になり、Ｄｕｔｙ比５０％でオンとオフの状態が繰り返される。図１１の「第２Ｇ」のマイクロ波は、第１Ｇのマイクロ波がオンの状態になってからＴａ時間後にオンの状態になり、Ｄｕｔｙ比５０％でオンとオフの状態が繰り返される。図１１の「第３Ｇ」のマイクロ波は、第１Ｇのマイクロ波がオンの状態になってからＴｂ（Ｔｂ＞Ｔａ）時間後にオンの状態になり、Ｄｕｔｙ比５０％でオンとオフの状態が繰り返される。

かかる制御により、各グループに属するマイクロ波のオンからオフ又はオフからオンの切り替え時がずれるため、これにより、プラズマ電子温度Ｔ_ｅの上昇が抑制され、イオンの衝突によるダメージが低減できる。このようにマイクロ波のオンからオフ又はオフからオンの切り替え時をずらした場合であっても、全てのマイクロ波がオフの状態になる「所与の時間」が確保されている。図１１の例の場合、少なくともいずれかのマイクロ波がオン状態である時間Ｔ１に対して、すべてのマイクロ波がオフ状態になる時間Ｔ２が所与の時間である。時間Ｔ２は、３０μｓ～５００μｓの範囲内であることが好ましく、本例における最適値は３００μｓである。

図１０のケース２では、マイクロ波透過板７３Ｂ、７３Ｃ、７３Ｅ、７３Ｆ、７３Ｇから出力されるマイクロ波のグループを第１グループとする。また、マイクロ波透過板７３Ａ、７３Ｃ、７３Ｄ、７３Ｆ、７３Ｇから出力されるマイクロ波のグループを第２グループとする。この場合にも、図１１に示すタイミング（ただし、第３Ｇは存在しない。）に各グループを制御してもよい。

図１０のケース３では、マイクロ波透過板７３Ｇから出力されるマイクロ波のグループを第１グループとし、マイクロ波透過板７３Ｂ、７３Ｅから出力されるマイクロ波のグループを第２グループとしてもよい。また、マイクロ波透過板７３Ｃ、７３Ｆから出力されるマイクロ波のグループを第３グループとし、マイクロ波透過板７３Ａ、７３Ｄから出力されるマイクロ波のグループを第４グループとしてもよい。

この場合、図１２の「第１Ｇ」のマイクロ波は、ＮＦ_３ガス及びＡｒガスを供給後に最初にオンの状態になり、Ｄｕｔｙ比５０％でオンとオフの状態が繰り返される。図１２の「第２Ｇ」のマイクロ波は、第１Ｇのマイクロ波がオンの状態になってからＴａ時間後にオンの状態になり、Ｄｕｔｙ比５０％でオンとオフの状態が繰り返される。図１２の「第３Ｇ」のマイクロ波は、第１Ｇのマイクロ波がオンの状態になってからＴｂ（Ｔｂ＞Ｔａ）時間後にオンの状態になり、Ｄｕｔｙ比５０％でオンとオフの状態が繰り返される。図１２の「第４Ｇ」のマイクロ波は、第１Ｇのマイクロ波がオンの状態になってからＴｃ（Ｔｃ＞Ｔｂ＞Ｔａ）時間後にオンの状態になり、Ｄｕｔｙ比５０％でオンとオフの状態が繰り返される。

かかる制御により、マイクロ波のオンからオフ又はオフからオンの切り替え時がずれるため、これにより、プラズマ電子温度Ｔ_ｅの上昇が抑制され、イオンの衝突による処理容器２内のダメージが低減される。このようにマイクロ波のオンからオフ又はオフからオンの切り替え時をずらした場合であっても、全てのマイクロ波がオフの状態になる「所与の時間」が確保されている。図１２の例の場合、少なくともいずれかのマイクロ波がオン状態である時間Ｔ３に対して、すべてのマイクロ波がオフ状態になる時間Ｔ４が所与の時間である。時間Ｔ４は、３０μｓ～５００μｓの範囲内であることが好ましく、本例における最適値は３００μｓである。

所与の時間以外の時間、複数のマイクロ波導入モジュールから出力されるマイクロ波のパルス波のオン及びオフのタイミングがランダムに設定されるようにしてもよい。この場合においても、全てのマイクロ波がオフの状態になる「所与の時間」が３０μｓ～５００μｓの範囲内で確保されている。なお、以上の例では、マイクロ波のパルス波のＤｕｔｙ比は５０％に設定したが、これに限られず、１０％～５０％であってもよい。また、上記の例では、所与の時間後の最初のオンが第１Ｇで固定であったが、所与の時間後に、最初にオンさせるグループを第１Ｇ→第２Ｇ→第３Ｇ→第１Ｇ→第２Ｇ→第３Ｇといった具合に、オンさせる度に変更させてもよい。これにより、プラズマ電子温度Ｔ_ｅが上昇する部位を分散でき、相対的に各部位のダメージを低減させることができる。

［処理方法］
次に、一実施形態に係る処理方法の一例について、図１３及び図１４を参照しながら説明する。図１３は、一実施形態に係る処理方法ｓｗの一例を示すフローチャートである。図１４は、一実施形態に係る複数のマイクロ波導入モジュール５を用いたクリーニング処理方法の一例を示すフローチャートである。図１４に示すクリーニング処理方法は、図１３のステップＳ７において呼び出される。図１３の処理方法及び図１４のクリーニング処理方法は、制御部８により制御される。

図１３の処理方法ｓｗが開始されると、制御部８は、基板Ｗを処理容器２内に搬入し、載置台２１に保持して基板Ｗを準備する（ステップＳ１）。次に、制御部８は、基板Ｗを処理するためのガスを供給し、マイクロ波のパワーを導入してガスからプラズマを生成し、生成したプラズマにより基板Ｗに成膜処理、拡散処理、エッチング処理、アッシング処理等の所定の処理を実行する。その後、制御部８は、処理済の基板Ｗを搬出する（ステップＳ３）。

次に、制御部８は、予め定められた枚数の基板を処理したかを判定する（ステップＳ５）。制御部８は、予め定められた枚数の基板を処理していないと判定すると、ステップＳ１に戻り、次の未処理の基板Ｗを準備し、次の基板Ｗにプラズマ処理を施す（ステップＳ１、Ｓ３）。ステップＳ５において、制御部８は、予め定められた枚数の基板を処理したと判定すると、ステップＳ７に進んでクリーニング処理を実行し、本処理を終了する。なお、本処理の終了時には、マイクロ波の出力を停止し、ガスの供給を停止する。

ステップＳ７にて実行されるクリーニング処理の詳細を図１４を参照して説明する。制御部８は、７つのマイクロ波導入モジュール５のうち予め定められた第１グループのマイクロ波のパルス波を投入する(ステップＳ１１)。例えば、図１１の第１Ｇのマイクロ波がオンの状態となり、周期的にオンとオフの状態を繰り返す。

次に、制御部８は、７つのマイクロ波導入モジュール５のうち予め定められた第２グループのマイクロ波のパルス波を投入する(ステップＳ１３)。例えば、図１１のＴａ時間後に、第２Ｇのマイクロ波がオン状態となり、周期的にオンとオフの状態を繰り返す。

次に、制御部８は、７つのマイクロ波導入モジュール５のうち予め定められた第３グループのマイクロ波のパルス波を投入する(ステップＳ１５)。例えば、図１１のＴｂ時間後に、第３Ｇのマイクロ波がオンの状態となり、周期的にオンとオフの状態を繰り返す。次に、制御部８は、クリーニング終了時間になったかを判定する（ステップＳ１７）。制御部８は、クリーニング終了時間になったと判定すると、本処理を終了する。

かかるプラズマ処理方法によれば、複数のマイクロ波導入モジュール５の全てのパワーの供給を周期的に、所与の時間オフの状態にする。これにより、プラズマ電子密度Ｎ_ｅを維持しながら、プラズマ電子温度Ｔ_ｅをより効果的に下げ、イオンによるダメージを低減させることができる。

今回開示された一実施形態に係るプラズマ処理装置は、すべての点において例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。上記の実施形態は、添付の請求の範囲及びその主旨を逸脱することなく、様々な形態で変形及び改良が可能である。上記複数の実施形態に記載された事項は、矛盾しない範囲で他の構成も取り得ることができ、また、矛盾しない範囲で組み合わせることができる。

例えば、本実施形態に係る処理方法は、クリーニング処理に限られず、成膜処理、エッチング処理等の処理方法にも使用できる。

１…プラズマ処理装置、２…処理容器、３…ガス供給機構、４…排気装置、５…マイクロ波導入モジュール、８…制御部、１１…天壁、１６、１７…ガス導入管、１６ａ、１７ａ…ガス供給孔、２１…載置台、Ｗ…基板

Claims (8)

1. 基板を処理する処理容器内においてプラズマを用いて行う処理方法であって、
   ガスを前記処理容器内に供給する工程と、
   前記処理容器内に第１のマイクロ波導入モジュールと第２のマイクロ波導入モジュールを含む複数のマイクロ波導入モジュールから出力されるマイクロ波パワーを間欠的に供給する工程と、を有し、
   前記マイクロ波パワーを間欠的に供給する工程では、前記第１のマイクロ波導入モジュールのマイクロ波パワーの供給をオンしている最中に、別のタイミングで前記第２のマイクロ波導入モジュールのマイクロ波パワーの供給をオンすることにより、前記第１のマイクロ波導入モジュールと前記第２のマイクロ波導入モジュールのマイクロ波パワーの供給が共にオンしているタイミングを有しつつ、周期的に、複数の前記マイクロ波導入モジュールの全てのマイクロ波パワーの供給を所与の時間オフの状態にする、処理方法。
2. 前記マイクロ波パワーを間欠的に供給する工程は、複数の前記マイクロ波導入モジュールから出力されるマイクロ波パワーの少なくともいずれかのオン及びオフのタイミングをずらす、
   請求項１に記載の処理方法。
3. 前記マイクロ波パワーを間欠的に供給する工程は、前記所与の時間以外の時間について、複数の前記マイクロ波導入モジュールから出力されるマイクロ波パワーのオン及びオフのタイミングをランダムに設定する、
   請求項１又は２に記載の処理方法。
4. 前記マイクロ波パワーを間欠的に供給する工程は、複数の前記マイクロ波導入モジュールから出力されるマイクロ波パワーのオン及びオフのタイミングを同期させる、
   請求項１又は２に記載の処理方法。
5. 前記処理方法はクリーニング処理であり、
   前記ガスは、クリーニングガスである、
   請求項１～４のいずれか一項に記載の処理方法。
6. 前記クリーニングガスは、フッ素含有ガス及び希ガスを含む、
   請求項５に記載の処理方法。
7. 前記所与の時間は、３０μｓ～５００μｓの範囲内である、
   請求項１～６のいずれか一項に記載の処理方法。
8. 基板を処理する処理容器と制御部とを有し、前記処理容器内においてプラズマを用いて処理を行うプラズマ処理装置であって、
   前記制御部は、
   ガスを前記処理容器内に供給する工程と、
   前記処理容器内に第１のマイクロ波導入モジュールと第２のマイクロ波導入モジュールを含む複数のマイクロ波導入モジュールから出力されるマイクロ波パワーを間欠的に供給する工程と、を制御し、
   前記マイクロ波パワーを間欠的に供給する工程では、前記第１のマイクロ波導入モジュールのマイクロ波パワーの供給をオンしている最中に、別のタイミングで前記第２のマイクロ波導入モジュールのマイクロ波パワーの供給をオンすることにより、前記第１のマイクロ波導入モジュールと前記第２のマイクロ波導入モジュールのマイクロ波パワーの供給が共にオンしているタイミングを有しつつ、周期的に、複数の前記マイクロ波導入モジュールの全てのマイクロ波パワーの供給を所与の時間オフの状態に制御する、プラズマ処理装置。

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