JP2020092034A - プラズマ処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 プラズマの面内均一性を向上可能なプラズマ処理装置を提供する。【解決手段】このプラズマ処理装置は、処理容器１内に対向配置された上部電極５及び下部電極６を備え、これらの電極間の空間にプラズマを発生させるプラズマ処理装置において、ＶＨＦ波の電力伝送路中に配置されたインピーダンス変換部（絶縁体ブロック２Ｂ）と、インピーダンス変換部を介してＶＨＦ波を径方向の外側に伝搬させる伝送部（ＶＨＦ波導波路２）と、上部電極５の下方に設けられた上部誘電体７と、上部誘電体７の横方向端部の位置に設けられ、伝送部からのＶＨＦ波が入力されるＶＨＦ波導入部９とを備えている。【選択図】図１

Description

本発明は、プラズマ処理装置に関する。

従来のプラズマ処理装置は、特許文献１〜特許文献２に記載されている。プラズマの発生方式には様々なものがあるが、超短波（ＶＨＦ）帯の周波数をプラズマ発生に用いた容量結合プラズマ（ＣＣＰ）処理装置が、注目されている。ＶＨＦ帯とは、３０ＭＨｚ〜３００ＭＨｚ程度の範囲の周波数である。一般的には、電磁波をウェハの表面に対して垂直に放射する構造が知られている。

特開平１０−１７２７９２号公報 特開２０１１−１７１７５０号公報

しかしながら、ＶＨＦ波を処理容器内に導入する場合、処理容器内で定在波が形成される傾向があり、プラズマの面内均一性が十分ではない。本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、プラズマの面内均一性を向上可能なプラズマ処理装置を提供することを目的とする。

上述の課題を解決するため、第１のプラズマ処理装置は、処理容器内に対向配置された上部電極及び下部電極を備え、これらの電極間の空間にプラズマを発生させるプラズマ処理装置において、ＶＨＦ波の電力伝送路中に配置されたインピーダンス変換部と、前記インピーダンス変換部を介してＶＨＦ波を径方向の外側に伝搬させる伝送部と、前記上部電極の下方に設けられた上部誘電体と、前記上部誘電体の横方向端部の位置に設けられ、前記伝送部からのＶＨＦ波が入力されるＶＨＦ波導入部とを備えることを特徴とする。

ＶＨＦ波導入部により、横方向のからＶＨＦ波がプラズマ発生空間に導入されるため、この場合には、複数の方向からＶＨＦ波を導入することができ、ＶＨＦ波の定在波の発生が抑制され、したがって、プラズマの面内均一性を向上させることができる。ここで、インピーダンス変換部は、ＶＨＦ波の電力伝送路中に配置されているので、ＶＨＦ波を効率的にプラズマ発生空間内に導くことができ、効率的にプラズマを発生させることができる。

第２のプラズマ処理装置においては、前記インピーダンス変換部は、セラミックスからなることを特徴とする。セラミックスは、誘電率が高いため、インピーダンス変換を容易に行うことができる。

第３のプラズマ処理装置においては、インピーダンス変換部は、上下方向に積層した複数の部品から構成されていることを特徴とする。この場合、複数の部品を用いることで、インピーダンスの精密な調整を行うことができる。

本発明のプラズマ処理装置によれば、プラズマの面内均一性を向上させることができる。

図１はプラズマ処理装置の縦断面構造を説明するための図である。 図２はプラズマ処理装置の縦断面構造を説明するための図である。 図３はプラズマ処理装置の縦断面構造を説明するための図である。 図４はプラズマ処理装置の縦断面構造を説明するための図である。 図５は誘電体内のＶＨＦ波の伝搬を説明するための図である。 図６はＶＨＦ波の周波数（ＭＨｚ）と絶縁体ブロックによる反射係数Γとの関係を示すグラフである。

以下、実施の形態に係るプラズマ処理装置について説明する。同一要素には、同一符号を用い、重複する説明は省略する。
図１は、プラズマ処理装置１００の装置構成（第１実施形態）を示す説明図である。なお、説明の便宜上、三次元直交座標系を設定する。プラズマ処理装置の鉛直方向をＺ軸方向とし、これに垂直な２方向をそれぞれＸ軸及びＹ軸とする。

このプラズマ処理装置１００は、処理容器１内に対向配置された上部電極５及び下部電極６を備え、これらの電極間の空間ＳＰにプラズマを発生させるプラズマ処理装置を対象としている。上部電極５の下面は平坦であり、下部電極６の上面は凹部６ｄを備えている。また、上部電極５の下面側には上部誘電体７が設けられる一方、下部電極６の凹部内には、下部誘電体８が設けられ、上部誘電体７と下部誘電体８との間の空間ＳＰの横方向端部には、ＶＨＦ波導入部９が設けられている。

処理容器１の上部開口端の近傍には、誘電体からなるＶＨＦ波導波路２が設けられている。ＶＨＦ波導波路２は、ここでの誘電体としては、空気を例示するが、その他、石英や、アルミナなどを誘電体として採用することができる。水平方向に延びたＶＨＦ波導波路２は、上部に導波管の側壁２ｗが位置している。処理容器の中央は開口しており、開口周囲の側壁が、同軸管の外側導体３ａを構成し、軸中心には内側導体３ｂが配置されている。なお、内側導体３ｂは、上部電極５に対して一体的に構成され、電気的に接続されている。

上部電極５の下面には、上部誘電体７（誘電体シャワー）が固定されている。上部誘電体７の下部表面は平坦であり、ＸＹ平面に平行である。また、上部誘電体７及び上部電極５の平面形状（Ｚ軸方向から見た形状）は、円形である。上部誘電体７は、厚みが一定の構造を有しており、上下の面は、それぞれＸＹ平面に平行な平坦面である。

下部電極６の上面には、すり鉢状の凹部６ｄが形成されており、この凹部６ｄ内に下部誘電体８が埋め込まれている。下部誘電体８の上部表面は平坦であり、ＸＹ平面に平行である。また、下部誘電体８及び下部電極６の平面形状（Ｚ軸方向から見た形状）は、円形である。下部誘電体８は、中央部では厚みが厚く、外周部では厚みが薄い。下部誘電体８の下部表面の中央領域は平坦でＸＹ平面に平行であり、最外領域も平坦でＸＹ平面に平行であるが、これらの間の領域は、円錐面であり、下部から上部に向けて平面形状の直径が大きくなる傾斜面からなる。

水平方向のＶＨＦ波導波路２（伝送部）の中央部に導入されたＶＨＦ波は、水平方向に沿って放射状に周辺部に進行する。ＶＨＦ波導波路２は、ＶＨＦ波を径方向の外側に伝搬させる伝送部である。その後、このＶＨＦ波は、処理容器１の側壁に設けられた凹部（平面形状は円リング状で、深さはＺ軸方向）からなる導波路１ｗを下方に進行し、ＶＨＦ波導入部９に導入され、外周部から中央部に向けて進行する。ＶＨＦ波導入部９の平面形状は円リング状であり、水平方向の全方位から処理容器の軸中心に向けて、ＶＨＦ波が進行する。ＶＨＦ波導入部９は、プラズマ発生空間ＳＰの横方向に位置している。ＶＨＦ波導入部９は、上部誘電体７の横方向端部の位置に設けられ、上記の伝送部からのＶＨＦ波が入力される。ここでは、ＶＨＦ波導入部９は、上部誘電体７の側方端部に接触している。

ＶＨＦ波発生器１３から発生したＶＨＦ波は、導波管を通って、水平方向のＶＨＦ波導波路２に導入される。その後、上述のように、上部電極５と下部電極６との間に、ＶＨＦ波導入部９から、ＶＨＦ波が導入されると、処理容器の内部のガスがプラズマ化し、プラズマが発生する。この場合、ＶＨＦ波導入部９は、横方向端部（水平方向端部）に位置しており、この空間内には、様々な横方向からＶＨＦ波が導入されるので、定在波が形成されにくいという利点がある。また、上部電極５と下部電極６との間に発生する電界ベクトルは、電極の外周領域では鉛直方向から下向き外側に向けて傾斜する傾向があるが、下部電極６には、凹部６ｄが設けられている。この凹部６ｄには、下部誘電体８が設けられているので、この誘電体により、ステージ近傍の電界分布を面内で均一にすることができる。また、下部誘電体８は、中央部の厚みよりも外周部の厚みが薄い。特に、誘電体が影響を与える電界ベクトルの向きと大きさは、その厚みにも依存するので、誘電体の外周部において、薄く設定することで、電界ベクトル強度の面内均一性を向上させることができる。

また、下部誘電体８において、プラズマ発生空間ＳＰとは反対側の面は、すり鉢状に傾斜している。この傾斜により、対応する電界ベクトルをより鉛直方向に向け、面内のプラズマ均一性を高めることができる。すなわち、下部誘電体８には、電界ベクトルを曲げるレンズ機能がある。この場合、周辺領域のＶＨＦ波の電界ベクトルが、中央領域と同じようになる傾向があり、電界ベクトルの面内均一性が高くなる。

また、上部誘電体７及び下部誘電体８は、空間ＳＰを挟んで同軸配置されている。すなわち、電極間の軸が一致している方が、プラズマの面内均一性を高めることができるからである。また、上部誘電体７の半径と、下部誘電体８の半径との差の距離Δｘは、０に近い値の方が好ましい。プラズマ発生条件が対称になるため、プラズマの均一性が高まるからである。

下部電極６は、駆動ステージＤＲＶによって上下方向に移動させることができる。これにより、最適な条件でプラズマを発生させることができる。また、下部電極６には、温度調節装置ＴＥＭＰが設けられている。温度調節装置ＴＥＭＰは、冷却媒体を流すための媒体通路と、ヒータと、温度センサとを含んでおり、制御装置１２によって、下部電極６が目的の温度となるように制御される。例えば、目標温度がＴ１℃であれば、温度センサの出力がＴ１℃よりも小さければ、ヒータを加熱し、Ｔ１℃よりも高ければ、ヒータを加熱しないで、冷却媒体を媒体通路に流すように、制御すればよい。

制御装置１２は、排気装置１４も制御している。排気装置１４は、処理容器１の外壁内に設けられた円環状の排気通路４内のガスを排気する。排気通路４は、プラズマ発生空間ＳＰの横方向に設けられており、処理容器の内面において周方向に沿って設けられた複数の排気孔に連通している。これにより、プラズマ発生空間ＳＰ内のガスを排気することができ、この空間における圧力を適切な値に設定することができる。この圧力は、処理内容に応じて変更すればよいが、例えば、０．１Ｐａから１００Ｐａとすることができる。排気装置１４としては、ロータリポンプ、イオンポンプ、クライオスタット、ターボ分子ポンプなど真空系の装置で通常用いられるポンプを採用することができる。

制御装置１２は、ガス源１０から発生したガスの流量を制御する流量コントローラ１１を制御している。流量コントローラ１１は、単なるバルブであってもよい。これにより、目的のガスを、処理容器１内に導入することができる。また、制御装置１２は、ＶＨＦ波発生器１３も制御している。ＶＨＦ波の周波数は、３０ＭＨｚ〜３００ＭＨｚ程度である。

ガス源１０に使用できるガスとしては、Ａｒ等の希ガスの他、ＣＦ_４，Ｃ_４Ｆ_８などの炭素及びフッ素を含むガス、Ｎ_２，Ｏ_２などのガスなどが、一例として挙げられる。

上部電極５及び下部電極６の材料としては、アルミニウムを用いることができる。上部誘電体７及び下部誘電体８の材料としては、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）を用いることができる。水平方向のＶＨＦ波導波路２の材料としては、空気を用いているが、導波路を形成することができれば、石英やアルミナなどの誘電体でもよい。

下部誘電体８上に配置される基板としては、シリコンなどを用いることができ、この基板に対して、成膜やエッチングなどの処理を行うことができる。また、必要に応じて、静電チャックを設けたり、下部誘電体８に直流バイアス電位を印加したり、場合によっては、高周波電圧を上下の電極間に印加する構成も考えられ、処理容器の周囲に磁石を配置する構成も考えられる。

次に、ガスの導入方法について説明する。

水平方向のＶＨＦ波導波路２の上部側壁２ｗには、平面形状が円形の開口が設けられており、この開口内にガス導入通路２Ａが形成されている。すなわち、ＶＨＦ波導波路２に、貫通孔を形成する。この貫通孔の形状は、平面形状が円環状であり、この貫通孔内にアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）からなる絶縁体のリング状の管を配置し、ガス導入通路２Ａとする。外側導体３ａは、ＶＨＦ波導波路２の中央近傍に位置する。ガス導入通路２Ａには、適当なガス貯留空間を連通させておき、この空間からガス導入通路２Ａ内にガスを導入する。上部電極５には、内部に、ガス通路が形成されており、このガス通路と、ガス拡散板７Ａを介して、シャワー構造の上部誘電体７に至る。ガス拡散板７Ａは、ディフューザであり、複数の貫通孔が形成されている。ガス拡散板７Ａの材料は、ＡｌＮ、アルミナ、ＳｉＯ_２などの絶縁体からなるが、メッシュ電極などから構成することも可能である。

上述のように、上記プラズマ処理装置は、処理容器内に対向配置された上部電極５及び下部電極６と、上部電極５の下方に配置されたガス導入用の誘電体シャワーとを備え、上部電極５と下部電極６との間の空間にプラズマを発生させる。

ここで、上部電極５上には絶縁体ブロック２Ｂが配置されている。上記のＶＨＦ波導波路２は、空気であって、処理容器１の上部構造において、処理容器１の側壁に設けられた凹部からなる導波路１ｗに連通する水平方向に延びた導波路２が配置されている。外側導体３ａと内側導体３ｂとの間に、リング状の絶縁体からなる絶縁体ブロック２Ｂを配置する。これにより、絶縁体ブロック２Ｂの上部から導入されたＶＨＦ波は、水平方向の導波路２を介して、垂直方向の導波路１ｗに至り、ＶＨＦ波導入部９を介して、処理容器内部に導入される。ＶＨＦ波はアルミナ等からなるガス導入通路２Ａも通過する。なお、絶縁体ブロック２ＢのＺ軸方向の厚みΔＺは、ＶＨＦ波の波長λ（本例では周波数換算で１２０ＭＨｚ〜２４０ＭＨｚ）に対して、プラズマ負荷インピーダンスを変換するインピーダンス変換器として機能するように設定する。すなわち、絶縁体ブロック２ＢにおけるＶＨＦ波の実効波長をλとし、自然数Ｎを用いて、奇数を２Ｎ−１で示すと、絶縁体ブロック２ＢのＺ軸方向の厚みΔＺは、たとえば、ΔＺ＝（１／４）×λ×（２Ｎ−１）に設定することができる。

このように、上記プラズマ処理装置は、ＶＨＦ波の電力伝送路中に配置されたインピーダンス変換部（絶縁体ブロック２Ｂ）を備えている。また、上記プラズマ処理装置は、インピーダンス変換部を介してＶＨＦ波を径方向の外側に伝搬させる伝送部（ＶＨＦ波導波路２）と、上部電極５の下方に設けられた上部誘電体７と、上部誘電体７の横方向端部の位置に設けられ、伝送部（ＶＨＦ波導波路２）からのＶＨＦ波が入力されるＶＨＦ波導入部９とを備えている。なお、インピーダンス変換部は、同軸管（３ａ，３ｂ）の特性インピーダンスと、アンテナ部（ブロック２Ｂ以降の導波路２、導入部９、上部誘電体７）のインピーダンスとを一致させている。

ＶＨＦ波導入部９により、横方向のからＶＨＦ波がプラズマ発生空間ＳＰに導入されるため、この場合には、複数の方向からＶＨＦ波を導入することができ、ＶＨＦ波の定在波の発生が抑制され、したがって、プラズマの面内均一性を向上させることができる。ここで、インピーダンス変換部としての絶縁体ブロック２Ｂは、ＶＨＦ波の電力伝送路中に配置されているので、ＶＨＦ波を効率的にプラズマ発生空間内に導くことができ、効率的にプラズマを発生させることができる。

絶縁体ブロック２Ｂは、セラミックスからなる。セラミックスは、誘電率が高いため、インピーダンス変換を容易に行うことができる。セラミックスの材料としては、アルミナが好適である。セラミックスの材料としては、ジルコニア、窒化珪素、炭化珪素、サイアロン等も知られている。また、絶縁体ブロック２Ｂは、上下方向に積層した複数の部品から構成することもできる。この場合、複数の部品を用いることで、インピーダンスの精密な調整を行うことができる。上下方向に積層した複数の部品としては、アルミナ等が例示される。

図２は、プラズマ処理装置１００の装置構成（第２実施形態）を示す説明図である。なお、説明の便宜上、三次元直交座標系を設定する。プラズマ処理装置の鉛直方向をＺ軸方向とし、これに垂直な２方向をそれぞれＸ軸及びＹ軸とする。

このプラズマ処理装置１００は、処理容器１内に対向配置された上部電極５及び下部電極６を備え、これらの電極間の空間ＳＰにプラズマを発生させるプラズマ処理装置を対象としている。上部電極５及び下部電極６は、それぞれ互いに対向する面に凹部５ｄ，６ｄを備えている。また、上部電極５及び下部電極６それぞれの凹部内には、上部誘電体７及び下部誘電体８がそれぞれ設けられ、上部誘電体７と下部誘電体８との間の空間ＳＰの横方向端部には、ＶＨＦ波導入部９が設けられている。

処理容器１の上部開口端の近傍には、誘電体からなるＶＨＦ波導波路２が設けられている。ＶＨＦ波導波路２は、ここでの誘電体としては、空気を例示するが、その他、石英や、アルミナなどを誘電体として採用することができる。水平方向に延びたＶＨＦ波導波路２は、上部に導波管の側壁２ｗが位置している。処理容器の中央は開口しており、開口周囲の側壁が、同軸管の外側導体３ａを構成し、軸中心には内側導体３ｂが配置されている。なお、内側導体３ｂは、上部電極５に対して一体的に構成され、電気的に接続されている。

上部電極５の下面には、すり鉢状の凹部５ｄが形成されており、この凹部５ｄ内に上部誘電体７（誘電体シャワー）が埋め込まれている。上部誘電体７の下部表面は平坦であり、ＸＹ平面に平行である。また、上部誘電体７及び上部電極５の平面形状（Ｚ軸方向から見た形状）は、円形である。上部誘電体７は、中央部では厚みが厚く、外周部では厚みが薄い。上部誘電体７の上部表面の中央領域は平坦でＸＹ平面に平行であり、最外領域も平坦でＸＹ平面に平行であるが、これらの間の領域は、円錐面であり、上部から下部に向けて平面形状の直径が大きくなる傾斜面からなる。

下部電極６の上面には、すり鉢状の凹部６ｄが形成されており、この凹部６ｄ内に下部誘電体８が埋め込まれている。下部誘電体８の上部表面は平坦であり、ＸＹ平面に平行である。また、下部誘電体８及び下部電極６の平面形状（Ｚ軸方向から見た形状）は、円形である。下部誘電体８は、中央部では厚みが厚く、外周部では厚みが薄い。下部誘電体８の下部表面の中央領域は平坦でＸＹ平面に平行であり、最外領域も平坦でＸＹ平面に平行であるが、これらの間の領域は、円錐面であり、下部から上部に向けて平面形状の直径が大きくなる傾斜面からなる。

水平方向のＶＨＦ波導波路２（伝送部）の中央部に導入されたＶＨＦ波は、水平方向に沿って放射状に周辺部に進行する。ＶＨＦ波導波路２は、ＶＨＦ波を径方向の外側に伝搬させる伝送部である。その後、このＶＨＦ波は、処理容器１の側壁に設けられた凹部（平面形状は円リング状で、深さはＺ軸方向）からなる導波路１ｗを下方に進行し、ＶＨＦ波導入部９に導入され、外周部から中央部に向けて進行する。ＶＨＦ波導入部９の平面形状は円リング状であり、水平方向の全方位から処理容器の軸中心に向けて、ＶＨＦ波が進行する。ＶＨＦ波導入部９は、プラズマ発生空間ＳＰの横方向に位置している。ＶＨＦ波導入部９は、上部誘電体７の横方向端部の位置に設けられ、上記の伝送部からのＶＨＦ波が入力される。ここでは、ＶＨＦ波導入部９は、上部誘電体７の側方端部に接触している。

ＶＨＦ波発生器１３から発生したＶＨＦ波は、導波管を通って、水平方向のＶＨＦ波導波路２に導入される。その後、上述のように、上部電極５と下部電極６との間に、ＶＨＦ波導入部９から、ＶＨＦ波が導入されると、処理容器の内部のガスがプラズマ化し、プラズマが発生する。この場合、ＶＨＦ波導入部９は、横方向端部（水平方向端部）に位置しており、この空間内には、様々な横方向からＶＨＦ波が導入されるので、定在波が形成されにくいという利点がある。また、上部電極５と下部電極６との間に発生する電界ベクトルは、電極の外周領域では鉛直方向から下向き外側に向けて傾斜する傾向があるが、上部電極５及び下部電極６には、それぞれ凹部が設けられている。これらには、上部誘電体７及び下部誘電体８が設けられているので、これらの誘電体により、電界ベクトルを面内で均一にすることができる。したがって、横方向のＶＨＦ波導入と電界ベクトル方向の均一化により、上部電極５と下部電極６との間に発生するプラズマ分布を面内で均一にすることができる。

なお、上部誘電体７及び下部誘電体８は、それぞれ、中央部の厚みよりも外周部の厚みが薄い。特に、誘電体が影響を与える電界ベクトルの向きと大きさは、その厚みにも依存するので、誘電体の外周部において、薄く設定することで、電界ベクトル強度の面内均一性を向上させることができる。また、上部誘電体７及び下部誘電体８において、プラズマ発生空間ＳＰとは反対側の面は、すり鉢状に傾斜している。この傾斜により、対応する電界ベクトルをより鉛直方向に向け、面内のプラズマ均一性を高めることができる。すなわち、上部誘電体７及び下部誘電体８には、電界ベクトルを曲げるレンズ機能がある。換言すれば、誘電体シャワーは、周辺領域に向かうにしたがって厚みが薄くなっている。この場合、周辺領域のＶＨＦ波の電界ベクトルが、中央領域と同じようになる傾向があり、電界ベクトルの面内均一性が高くなる。

また、上部誘電体７及び下部誘電体８は、空間ＳＰを挟んで同軸配置されている。すなわち、電極間の軸が一致している方が、プラズマの面内均一性を高めることができるからである。また、上部誘電体７の半径と、下部誘電体８の半径との差の距離Δｘは、０に近い値の方が好ましい。プラズマ発生条件が対称になるため、プラズマの均一性が高まるからである。

下部電極６は、駆動ステージＤＲＶによって上下方向に移動させることができる。これにより、最適な条件でプラズマを発生させることができる。また、下部電極６には、温度調節装置ＴＥＭＰが設けられている。温度調節装置ＴＥＭＰは、冷却媒体を流すための媒体通路と、ヒータと、温度センサとを含んでおり、制御装置１２によって、下部電極６が目的の温度となるように制御される。例えば、目標温度がＴ１℃であれば、温度センサの出力がＴ１℃よりも小さければ、ヒータを加熱し、Ｔ１℃よりも高ければ、ヒータを加熱しないで、冷却媒体を媒体通路に流すように、制御すればよい。

制御装置１２は、排気装置１４も制御している。排気装置１４は、処理容器１の外壁内に設けられた円環状の排気通路４内のガスを排気する。排気通路４は、プラズマ発生空間ＳＰの横方向に設けられており、処理容器の内面において周方向に沿って設けられた複数の排気孔に連通している。これにより、プラズマ発生空間ＳＰ内のガスを排気することができ、この空間における圧力を適切な値に設定することができる。この圧力は、処理内容に応じて変更すればよいが、例えば、０．１Ｐａから１００Ｐａとすることができる。排気装置１４としては、ロータリポンプ、イオンポンプ、クライオスタット、ターボ分子ポンプなど真空系の装置で通常用いられるポンプを採用することができる。

制御装置１２は、ガス源１０から発生したガスの流量を制御する流量コントローラ１１を制御している。流量コントローラ１１は、単なるバルブであってもよい。これにより、目的のガスを、処理容器１内に導入することができる。また、制御装置１２は、ＶＨＦ波発生器１３も制御している。ＶＨＦ波の周波数は、３０ＭＨｚ〜３００ＭＨｚ程度である。

ガス源１０に使用できるガスとしては、Ａｒ等の希ガスの他、ＣＦ_４，Ｃ_４Ｆ_８などの炭素及びフッ素を含むガス、Ｎ_２，Ｏ_２などのガスなどが、一例として挙げられる。

上部電極５及び下部電極６の材料としては、アルミニウムを用いることができる。上部誘電体７及び下部誘電体８の材料としては、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）を用いることができる。水平方向のＶＨＦ波導波路２の材料としては、空気を用いているが、導波路を形成することができれば、石英やアルミナなどの誘電体でもよい。

下部誘電体８上に配置される基板としては、シリコンなどを用いることができ、この基板に対して、成膜やエッチングなどの処理を行うことができる。また、必要に応じて、静電チャックを設けたり、下部誘電体８に直流バイアス電位を印加したり、場合によっては、高周波電圧を上下の電極間に印加する構成も考えられ、処理容器の周囲に磁石を配置する構成も考えられる。

次に、ガスの導入方法について説明する。

水平方向のＶＨＦ波導波路２の上部側壁２ｗには、平面形状が円形の開口が設けられており、この開口内にガス導入通路２Ａが形成されている。すなわち、ＶＨＦ波導波路２に、貫通孔を形成する。この貫通孔の形状は、平面形状が円環状であり、この貫通孔内にアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）からなる絶縁体のリング状の管を配置し、ガス導入通路２Ａとする。外側導体３ａは、ＶＨＦ波導波路２の中央近傍に位置する。ガス導入通路２Ａには、適当なガス貯留空間を連通させておき、この空間からガス導入通路２Ａ内にガスを導入する。上部電極５には、内部に、ガス通路が形成されており、このガス通路と、ガス拡散板７Ａを介して、シャワー構造の上部誘電体７に至る。ガス拡散板７Ａは、ディフューザであり、複数の貫通孔が形成されている。ガス拡散板７Ａの材料は、ＡｌＮ、アルミナ、ＳｉＯ_２などの絶縁体からなるが、メッシュ電極などから構成することも可能である。

上述のように、上記プラズマ処理装置は、処理容器内に対向配置された上部電極５及び下部電極６と、上部電極５の下方に配置されたガス導入用の誘電体シャワーとを備え、上部電極５と下部電極６との間の空間にプラズマを発生させる。

ここで、上部電極５上には絶縁体ブロック２Ｂが配置されている。上記のＶＨＦ波導波路２は、空気であって、処理容器１の上部構造において、処理容器１の側壁に設けられた凹部からなる導波路１ｗに連通する水平方向に延びた導波路２が配置されている。外側導体３ａと内側導体３ｂとの間に、リング状の絶縁体からなる絶縁体ブロック２Ｂを配置する。これにより、絶縁体ブロック２Ｂの上部から導入されたＶＨＦ波は、水平方向の導波路２を介して、垂直方向の導波路１ｗに至り、ＶＨＦ波導入部９を介して、処理容器内部に導入される。ＶＨＦ波はアルミナ等からなるガス導入通路２Ａも通過する。なお、絶縁体ブロック２ＢのＺ軸方向の厚みΔＺは、ＶＨＦ波の波長λ（本例では周波数換算で１２０ＭＨｚ〜２４０ＭＨｚ）に対して、プラズマ負荷インピーダンスを変換するインピーダンス変換器として機能するように設定する。すなわち、絶縁体ブロック２ＢにおけるＶＨＦ波の実効波長をλとし、自然数Ｎを用いて、奇数を２Ｎ−１で示すと、絶縁体ブロック２ＢのＺ軸方向の厚みΔＺは、たとえば、ΔＺ＝（１／４）×λ×（２Ｎ−１）に設定することができる。

このように、上記プラズマ処理装置は、ＶＨＦ波の電力伝送路中に配置されたインピーダンス変換部（絶縁体ブロック２Ｂ）を備えている。また、上記プラズマ処理装置は、インピーダンス変換部を介してＶＨＦ波を径方向の外側に伝搬させる伝送部（ＶＨＦ波導波路２）と、上部電極５の下方に設けられた上部誘電体７と、上部誘電体７の横方向端部の位置に設けられ、伝送部（ＶＨＦ波導波路２）からのＶＨＦ波が入力されるＶＨＦ波導入部９とを備えている。

ＶＨＦ波導入部９により、横方向のからＶＨＦ波がプラズマ発生空間ＳＰに導入されるため、この場合には、複数の方向からＶＨＦ波を導入することができ、ＶＨＦ波の定在波の発生が抑制され、したがって、プラズマの面内均一性を向上させることができる。ここで、インピーダンス変換部としての絶縁体ブロック２Ｂは、ＶＨＦ波の電力伝送路中に配置されているので、ＶＨＦ波を効率的にプラズマ発生空間内に導くことができ、効率的にプラズマを発生させることができる。

絶縁体ブロック２Ｂは、セラミックスからなる。セラミックスは、誘電率が高いため、インピーダンス変換を容易に行うことができる。セラミックスの材料としては、アルミナが好適である。セラミックスの材料としては、ジルコニア、窒化珪素、炭化珪素、サイアロン等も知られている。また、絶縁体ブロック２Ｂは、上下方向に積層した複数の部品から構成することもできる。この場合、複数の部品を用いることで、インピーダンスの精密な調整を行うことができる。上下方向に積層した複数の部品としては、アルミナ等が例示される。

図３は別の形態のプラズマ処理装置の縦断面構造（第３実施形態）を説明するための図である。

図３のプラズマ処理装置は、水平方向のＶＨＦ波導波路２の誘電体を、空気に代えて、石英などの固体誘電体２Ｓにしたものである。その他の点は、上記と同一である。固体誘電体２Ｓは、上部電極５と上部の側壁２ｗとの間に位置している。

図４は別の形態のプラズマ処理装置の縦断面構造（第４実施形態）を説明するための図である。

図４のプラズマ処理装置は、図１のＶＨＦ波導入部９の位置を、少し下方に移動させたものである。その他の点は、図２と同一である。すなわち、上部誘電体７の下部表面からＶＨＦ波導入部９までの鉛直方向の離間距離Δｚｕｐと、下部誘電体８の上部表面からＶＨＦ波導入部９までの鉛直方向の離間距離Δｚｄｏｗｎとは等しい。これらの距離が、等しい場合には、ＶＨＦ波導入位置からのそれぞれの誘電体への距離が等しくなるので、ＶＨＦ波に起因したプラズマは、鉛直方向において、均一になる傾向がある。なお、上部誘電体７と下部誘電体８との間の距離Δｚは、均一なプラズマを発生させる観点からは、例えば、５ｍｍ〜８０ｍｍであることが好ましい。

図５は誘電体内のＶＨＦ波の伝搬を説明するための図である。

図１の構造の場合、各種の誘電体要素ＤＥｎ（ｎ＝１〜ｋ）において、インピーダンス変換部を用いることにより、プラズマ発生空間ＳＰ内に至るまでのＶＨＦ波の導入効率の向上を図っている。上記構造の場合、ＶＨＦ波は、空気（ＡＩＲ）、誘電体要素ＤＥ１（絶縁体ブロック２Ｂ：Ａｌ_２Ｏ_３）、誘電体要素ＤＥ２（空気）、誘電体要素ＤＥ３（ガス導入通路２Ａの側壁：Ａｌ_２Ｏ_３）、誘電体要素ＤＥ４（ガス導入通路２Ａの内部：空気）、誘電体要素ＤＥ５（ガス導入通路２Ａの側壁：Ａｌ_２Ｏ_３）、誘電体要素ＤＥ６（ガス導入通路２Ａの後の水平方向のＶＨＦ波の導波路：空気）、誘電体要素ＤＥ７（垂直方向のＶＨＦ波の導波路１ｗ：空気）、誘電体要素ＤＥ８（ＶＨＦ波導入部９：Ａｌ_２Ｏ_３）を経て、プラズマ処理空間ＳＰ（空気と仮定）に至る。

誘電体要素ＤＥｎ（ｎ＝１〜ｋ）を用いた場合、各要素におけるＶＨＦ波の伝播方向に沿った長さをＬｎ（ｎ＝１〜ｋ）、各誘電体要素内におけるＶＨＦ波の実効波長をλｎ（ｎｍ）とすると、Ｌｎは、上述のΔＺの場合と同様に考えればよい。たとえば、インピーダンス変換部からＶＨＦ波導入部に至る各誘電体要素ＤＥｎの各長さＬｎは、Ｌｎ＝（１／４）×λｎ×（２Ｎ−１）に設定することができる。

図６は、ＶＨＦ波の周波数（ＭＨｚ）と絶縁体ブロックによる反射係数Γとの関係を示すグラフである。

絶縁体ブロック２Ｂの材料はアルミナ、Ｚ軸方向の厚みは８０ｍｍ、径方向の距離は７４ｍｍに設定した。ＶＨＦ波の周波数を１８０ＭＨｚとした場合、空気を経て絶縁体ブロック２Ｂに導入されるＶＨＦ波の反射係数Γは、０．７４となる。グラフ内では反射係数Γは極小値を有するが、ＶＨＦ波の周波数は、プラズマの発生条件により拘束されているので、１８０ＭＨｚの場合には、図１の構造において、反射係数λは０．７４である。以上、説明したように、上述のプラズマ処理装置では、効率的にＶＨＦ波を処理容器内に導入しつつ、プラズマの面内均一性を向上させることができる。

ＤＲＶ…駆動ステージ、ＳＰ…プラズマ発生空間、ＴＥＭＰ…温度調節装置、１…処理容器、１ｗ…導波路、２…ＶＨＦ波導波路、２Ｂ…絶縁体ブロック、２ｗ…導波路、３ａ…外側導体、３ｂ…内側導体、４…排気通路、５…上部電極、５ｄ…凹部、６ｄ…凹部、６…下部電極、７…上部誘電体（誘電体シャワー）、７Ａ…ガス拡散板、８…下部誘電体、９…ＶＨＦ波導入部、１０…ガス源、１１…流量コントローラ、１２…制御装置、１３…ＶＨＦ波発生器、１４…排気装置、１００…プラズマ処理装置。

Claims (3)

1. 処理容器内に対向配置された上部電極及び下部電極を備え、これらの電極間の空間にプラズマを発生させるプラズマ処理装置において、
   ＶＨＦ波の電力伝送路中に配置されたインピーダンス変換部と、
   前記インピーダンス変換部を介してＶＨＦ波を径方向の外側に伝搬させる伝送部と、
   前記上部電極の下方に設けられた上部誘電体と、
   前記上部誘電体の横方向端部の位置に設けられ、前記伝送部からのＶＨＦ波が入力されるＶＨＦ波導入部と、
   を備えることを特徴とするプラズマ処理装置。
2. 前記インピーダンス変換部は、セラミックスからなる、
   ことを特徴とする請求項１に記載のプラズマ処理装置。
3. インピーダンス変換部は、上下方向に積層した複数の部品から構成されている、
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載のプラズマ処理装置。

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