JP7300957B2 - プラズマ処理装置及び天壁 - Google Patents

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Description

本開示は、プラズマ処理装置及び天壁に関する。
例えば、特許文献１は、天壁の開口にマイクロ波透過部材を設け、天壁の開口の周囲に開口と相似する溝を形成し、溝によってマイクロ波の表面波の伝播を遮断し、溝の配置により表面波プラズマの電界分布を制御することでプラズマ密度を高めることを提案する。
特開２０１９－１０６３５８号公報
本開示は、プラズマ密度分布の均一を図ることができるプラズマ処理装置及び天壁を提供する。
本開示の一の態様によれば、処理容器内に供給されたガスをプラズマ化して基板を処理するプラズマ処理装置であって、前記処理容器の天壁に複数設けられた開口に設けられ、マイクロ波のパワーを前記処理容器内に供給するマイクロ波導入窓と、前記開口を囲むように前記天壁に形成された溝と、を有し、前記溝と前記開口との間の幅が、前記開口の周方向に対して均一でない、プラズマ処理装置が提供される。
一の側面によれば、プラズマ密度分布の均一を図ることができる。
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１に示したマイクロ波導入機構を示す断面図。 一実施形態に係る天壁の溝の一例を示す図。 一実施形態に係る天壁の溝の他の例を示す図。 一実施形態に係る天壁の溝の他の例を示す図。 一実施形態に係る天壁の溝の他の例を示す図。 一実施形態に係る溝の縦断面の一例を示す図。
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。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、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。
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、処理容器２から着脱可能であり、複数の開口を有している。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。
プラズマ処理装置１は、更に、天壁１１に設けられた、複数のガス導入管１６を有し、ガス導入管１６の先端のガス孔から処理容器２内にガスを供給する。ガス導入管１６は、側壁１２に設けられてもよい。
ガス供給源３１は、例えば、プラズマ生成用の希釈ガスや、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。
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３２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３２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、コンピュータである。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内においてガスをプラズマ化して基板Ｗに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３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２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３は、図１に示したマイクロ波導入機構６３の詳細を示す断面図である。
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１１ａ（マイクロ波導入窓７３が配置された部分）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。
図２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。
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。
複数のマイクロ波導入機構６３は、図１に示すように天壁１１の開口１１ａに設けられる。図３に示すように、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、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、本体容器６６の基端側（上端側）に設けられた図示しない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。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。
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導入窓７３とを有している。マイクロ波導入窓７３の下面は、処理容器２の内部空間に露出している。マイクロ波導入窓７３は、天壁１１の開口１１ａに設けられ、マイクロ波のパワーを処理容器２内に供給する。
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。一例では、４つのスロット７１ａが設けられ、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。
マイクロ波導入窓７３は、誘電体材料によって形成されている。マイクロ波導入窓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。マイクロ波導入窓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。マイクロ波導入窓７３の形状は、直方体形状、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からマイクロ波導入窓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３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。
[天壁の溝形状]
次に、図４を参照して、図１に示した天壁１１の底面について説明する。図４（ｂ）は、図１のＩ－Ｉ断面を示す。つまり、図４（ｂ）は、図１の天壁１１に形成された溝７０ａ、７０ｂの一例を示す図である。以下の説明では、マイクロ波導入窓７３は円柱形状を有するものとする。また、図４～図７の天壁１１の底面では、ガス孔については図示を省略している。
複数のマイクロ波導入窓７３は、天壁１１の複数の開口１１ａ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、複数のマイクロ波導入窓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つのマイクロ波導入窓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、マイクロ波導入窓７３の形状精度やマイクロ波導入機構６３の組み立て精度等の観点から、マイクロ波導入窓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、複数のマイクロ波導入窓７３は、六方最密配置になるように配置された７つのマイクロ波導入窓７３からなるものである。具体的には、周囲のマイクロ波導入窓７３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。中心のマイクロ波導入窓７３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、マイクロ波導入窓７３の形状精度や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導入窓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。
周囲の６つのマイクロ波導入窓７３は、中心の１つのマイクロ波導入窓７３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。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、図４（ｂ）に示すように、天壁１１の開口１１ａを囲むように天壁１１に溝７０ａ及び溝７０ｂが形成されている。以下、溝７０ａ及び溝７０ｂを溝７０と総称することがある。
溝７０ａは、中心のマイクロ波導入窓７３が嵌め込まれた開口１１ａを囲むように形成されている。溝７０ａは真円であり、溝７０ａと開口１１ａとの間の幅（溝７０ａと開口１１ａの縁からの距離）が、その開口１１ａの周方向（円周方向）に対して均一である。
溝７０ｂは、周囲のマイクロ波導入窓７３が嵌め込まれた開口１１ａのそれぞれを囲むように形成されている。溝７０ｂは楕円であり、溝７０ｂと開口１１ａとの間の幅（溝７０ｂと開口１１ａの縁からの距離）は、その開口１１ａの周方向に対して均一でない。図４（ｂ）の例では、溝７０ｂは、楕円の長辺が、天壁１１の円周方向に向くように形成されている。よって、溝７０ｂと開口１１ａとの間の幅は、図４（ｂ）に破線Ｃｉで示す天壁１１の円周方向で広くなり、天壁１１の径方向で狭くなる。ただし、これに限られず、溝７０ｂは、楕円の長辺が、天壁１１の径方向に向くように形成されてもよい。この場合、溝７０ｂと開口１１ａとの間の幅は、図４（ｂ）に破線Ｃｉで示す天壁１１の円周方向で狭くなり、天壁１１の径方向で広くなる。
図４（ａ）に、比較例の溝１７０ａ、１７０ｂの形状を示す。図４（ａ）に示すように、天壁１１の開口１１ａを囲むように天壁１１に溝１７０ａ及び溝１７０ｂが形成されている。溝１７０ａは、中心のマイクロ波導入窓７３が嵌め込まれた開口１１ａを囲むように形成されている。溝７０ａは真円であり、溝７０ａと開口１１ａとの間の幅が、その開口１１ａの周方向に対して均一である。
溝１７０ｂは、周囲のマイクロ波導入窓７３が嵌め込まれた開口１１ａのそれぞれを囲むように形成されている。溝１７０ｂも同様に真円であり、溝１７０ｂと開口１１ａとの間の幅は、その開口１１ａの周方向に対して均一である。
図４（ａ）の比較例の溝１７０ａ及び溝１７０ｂが形成された場合に天壁１１の下方に形成されるプラズマの密度Ｎｅを図４（ｃ）に示す。図４（ｂ）の本実施形態の溝７０ａ及び溝７０ｂが形成された場合に天壁１１の下方に形成されるプラズマの密度Ｎｅを図４（ｄ）に示す。
図４（ｃ）及び図４（ｄ）の横軸は、天壁１１の中心を通る軸ＧＶの一端の位置を０°としたときの０°から３６０°までの円周方向の角度θを示し、縦軸は、天壁１１の破線Ｃｉで示す円周の下方のプラズマ密度Ｎｅを示す。
これによれば、天壁１１の裏面に溝７０ａ、７０ｂ、１７０ａ、１７０ｂを形成した場合（図４（ｃ）の線Ｂ及び（ｄ）の線Ｃ）、表面波プラズマの電界の遮断効率を、溝がない場合（図４（ｃ）及び（ｄ）の線Ａ）よりも高めることができる。つまり、溝７０ａ、７０ｂ、１７０ａ、１７０ｂの内側に表面波プラズマを閉じ込めることができる。このため、天壁１１に溝を形成した場合、図４（ｃ）の線Ｂ及び（ｄ）の線Ｃに示すように、溝の内部のプラズマ密度Ｎｅは、図４（ｃ）及び（ｄ）の線Ａに示すように、天壁１１に溝を形成しない場合のプラズマ密度Ｎｅよりも高い。プラズマ密度Ｎｅと成膜速度とには相対関係があるため、天壁１１に溝を形成することで、溝の内部のプラズマ密度Ｎｅを高め、成膜速度を向上させることができる。
ところが、図４（ａ）に示すように、溝１７０ａ、１７０ｂが真円の場合、線Ｂに示すようにプラズマ密度Ｎｅの均一性が悪化する。そこで、本実施形態では、図４（ｂ）に示すように、溝７０ｂを楕円形状にする。これにより、図４（ｄ）の線Ｃに示すように、図４（ｃ）に示す線Ｂと比較してプラズマ密度分布の円周方向の均一性を改善できる。
このようにして円周方向のプラズマ密度分布の均一を図ることで、プラズマ密度Ｎｅ及び成膜速度を維持したまま、円周方向の膜厚の均一を向上させることができる。
［溝の変形例］
（開口部）
ただし、溝７０の形状は楕円に限られない。次に、溝７０の形状について、変形例を図５～図７を参照して説明する。図５～図７は、一実施形態に係る天壁１１の溝７０の他の例を示す図である。図５（ｃ）及び図５（ｄ）の横軸は、天壁１１の中心を通る軸ＧＶの一端の位置を０°としたときの０°から３６０°までの円周方向の角度θを示し、縦軸は、天壁１１の破線Ｃｉで示す円周の下方のプラズマ密度Ｎｅを示す。例えば、図５（ａ）に示すように、溝７０ｂは、開口１１ａを囲む溝の一部に凹みのない開口部７０ｂ１を有してもよい。開口部７０ｂ１は、天壁１１の円周方向に隣り合う開口１１ａの対向位置又はこの対向位置の近傍に形成されてもよい。この結果、開口部７０ｂ１から溝７０ｂの外側へ表面波プラズマの一部が伝播することで、図５（ｃ）の線Ｄに示すように、溝７０ｂの外側のプラズマ密度Ｎｅの低下を抑制することができ、更に円周方向のプラズマ密度分布の均一性を向上させることができる。
また、例えば、図５（ｂ）に示すように、星形の溝７０ａを有してもよい。図５（ｂ）の溝７０ａは、周囲の６つの開口１１ａの間に向かって山なりになる部分７０ａ２と、６つの開口１１ａ部分でわずかに凹む部分７０ａ１とを有する。これにより、溝７０ａの部分７０ａ２では、周囲の開口１１ａの間のプラズマ密度が薄い領域に対して開口１１ａから溝７０までの幅（距離）を広げる。また、溝７０ａの部分７０ａ１では、周囲の開口１１ａがあるプラズマ密度が濃い領域に対して開口１１ａから溝７０までの幅（距離）を狭める。これにより、図５（ｄ）の線Ｅに示すように、更に円周方向のプラズマ密度分布の均一性を向上させることができる。
（円で閉じ込め）
なお、図５（ｂ）では、６つの開口１１ａの外周に、全ての開口１１ａを覆う溝７０ｃが形成されている。溝７０ｃは真円である。これにより、溝７０ｃ内に表面波プラズマを閉じ込めることでプラズマ密度Ｎｅを高めることができる。ただし、溝７０ｃは設けられなくてもよい。また、周囲の６つの開口１１ａに溝７０ｂは設けられていないが、周囲の６つの開口１１ａに溝７０ｂを設けてもよい。この場合、溝７０ｂを楕円にすることが好ましいが、真円でもよい。なお、溝７０の数は、天壁１１の複数の開口１１ａの少なくともいずれかを囲むように１つ以上設けられていればよい。
（溝の偏り）
溝７０は、天壁１１の開口１１ａに対して外側又は内側に偏って形成されていてもよい。例えば、図６（ａ）及び（ｂ）に示すように、溝７０は、天壁１１の複数の開口１１ａ毎に形成され、複数の開口１１ａに形成された溝７０の少なくともいずれかは、開口１１ａに対して外周側又は内周側に偏って形成されてもよい。図６（ａ）の例では、周囲に形成された開口１１ａのそれぞれに楕円の溝７０ｂが形成され、各溝７０ｂの長辺方向が径方向と一致する。また、各溝７０ｂは、開口１１ａに対して外側に広がるように外側に偏って形成される。なお、溝７０ａは真円である。
図６（ｂ）の例においても周囲に形成された開口１１ａのそれぞれに楕円の溝７０ｂが形成され、各溝７０ｂの長辺方向が径方向と一致する。ただし、各溝７０ｂは、開口１１ａに対して内側に広がるように内側に偏って形成される。この場合にも溝７０ａは真円である。
図６（ｃ）及び（ｄ）の横軸は、図６（ａ）及び（ｂ）の天壁１１の中心ＯからエッジＥまでの径方向の位置Ｒ（ｍｍ）を示し、縦軸は、位置Ｒにおけるプラズマ密度Ｎｅを示す。開口１１ａに溝７０がない場合、図６（ｃ）の線Ａに示すように、天壁１１のエッジＥでプラズマ密度Ｎｅが上がったり、図６（ｄ）の線Ａに示すように、天壁１１のエッジＥでプラズマ密度Ｎｅが下がったりする。このエッジＥにおけるプラズマ密度Ｎｅの高低は、プロセス条件に依存する。一例としては、処理容器２内の圧力が高め（例えば２０Ｐａ以上）であると、エッジＥのプラズマ密度Ｎｅが上がり、圧力がそれよりも低め（例えば２０Ｐａ未満）であると、エッジＥのプラズマ密度Ｎｅが下がる。また、マイクロ波のパワーを上げたり、希釈ガスをＨｅガスからＡｒガスにすることでエッジＥのプラズマ密度Ｎｅが下がる場合がある。図６（ａ）及び（ｂ）では、エッジのプラズマ密度Ｎｅの立ち上がり又は立ち下がりを是正するために、楕円の溝７０ｂを開口１１ａに対して外側又は内側に偏って形成する。
例えば、楕円の溝７０ｂを外側に偏って形成した図６（ａ）の場合、図６（ａ）の上部に示すように、溝７０ａの内部を伝播する表面波Ｓａと、溝７０ｂの内部を伝播する表面波Ｓｂとの合成波が生じる。天壁１１の中心ＯからエッジＥまでのプラズマ密度Ｎｅは、この合成波に比例する。図６（ａ）では、楕円の溝７０ｂを開口１１ａに対して外側に偏って形成することで、真円の溝７０の場合の点線で示す表面波Ｓｂ'よりも表面波Ｓｂが外側まで伝播する。これにより、図６（ｃ）の線Ｆに示すように、エッジＥでのプラズマ密度Ｎｅを真円の溝７０の場合よりも均一にすることができる。これにより、溝がない場合（線Ａ）に発生したエッジＥでのプラズマ密度Ｎｅの上昇を抑制し、天壁１１の径方向のプラズマ密度分布の均一化を図ることができる。
同様にして、図６（ｂ）に示すように、楕円の溝７０ｂを内側に偏って形成することにより、図６（ｄ）の線Ｇに示すように、エッジＥでのプラズマ密度Ｎｅを均一にすることができる。これにより、溝がない場合（線Ａ）に発生したエッジＥでのプラズマ密度Ｎｅの下降を抑制し、天壁１１の径方向のプラズマ密度分布の均一化を図ることができる。
（溝のその他の例）
溝７０のその他の例について、図７を参照しながら説明する。図７の例では、図７（ａ）に破線Ｃｉで示す天壁１１の円周方向に配置された３つの開口１１ａのそれぞれの周囲に溝７０ｂが形成されている。溝７０ｂは、楕円であり、開口１１ａに対して内側に偏って形成されている。加えて、図７（ａ）に破線Ｃｉよりも内側にて破線Ｃｓで示す天壁１１の円周方向に配置された３つの開口１１ａのそれぞれの周囲に溝７０ａが形成されている。溝７０ａは、楕円であり、開口１１ａに対して外側に偏って形成されている。このように、天壁１１の開口１１ａの位置に応じて楕円が内側又は外側に偏った溝７０を形成することで、プラズマ密度Ｎｅの薄い領域及び濃い領域を溝７０と開口１１ａとの間の幅の大きさによって自由に補完し、天壁１１に形成された開口１１ａの位置によらず、プラズマ密度分布の均一化を図ることができる。
以上に説明したように、本実施形態に係る天壁１１及びその天壁１１を配置したプラズマ処理装置１によれば、天壁１１の開口１１ａを塞ぐように設けられたマイクロ波導入窓７３と、天壁１１の開口１１ａを囲むように天壁１１に形成された溝７０とを有する。溝７０と開口１１ａとの間の幅は、開口１１ａの周方向に対して均一でない。これにより、プラズマ密度Ｎｅや成膜速度の向上を維持しつつ、プラズマ密度分布の均一化を図ることができる。
なお、溝７０の形状は、楕円や星型に限られず、図７（ｂ）に示す各辺が同じ長さでない五角形や正五角形であってもよいし、六角形、八角形等の多角形、その他の形状であってもよい。また、上記で説明した各種の溝７０を組み合わせて天壁１１に形成してもよい。
また、複数の開口１１ａのうち中心の開口１１ａに形成された溝７０ａと、中心の開口１１ａの周囲の開口１１ａに形成された溝７０ｂとは、異なる形状を有してもよい。また、溝７０は、天壁１１の中心に対して点対称に配置されてもよい。
また、溝７０と開口１１ａとの間の径方向の幅は、処理した基板Ｗの上に生成された膜の屈折率（ＲＩ：Ｒｅｆｒａｃｔｉｖｅ Ｉｎｄｅｘ）、前記膜の厚さ又は基板Ｗの処理時のプラズマ密度Ｎｅに応じた異なる幅を有してもよい。
［溝の深さ］
最後に溝７０の深さＤ１について、図８を参照しながら説明する。図８は、一実施形態に係る溝７０の縦断面の一例を示す図である。マイクロ波導入窓７３が嵌め込まれた開口１１ａを透過し、天壁１１の裏面を伝搬する表面波の波長をλｓｐとする。溝７０の深さＤ１は、λｓｐ／４であることが好ましい。ただし、溝７０の深さＤ１は、λｓｐ／４に限られず、λｓｐ／４±λｓｐ／８の範囲であってもよい。マイクロ波の周波数が８６０ＭＨｚの場合、λｓｐは約１０～２０ｍｍとなる。この場合、溝７０の深さＤ１は、約１．２５ｍｍ～７．５ｍｍとなる。また、マイクロ波導入窓７３が嵌め込まれた開口１１ａから溝７０の内側壁までの距離Ｄ２は、１０ｍｍ～１００ｍｍである。
以上に説明した溝７０は、天壁１１の製造時、プロセス条件に応じて最適な形状に天壁１１を加工することで形成される。プラズマ処理装置１において実行するプロセス条件が変わると、新たなプロセス条件に応じた適切な形状の溝７０が必要になる場合がある。この場合、プラズマ処理装置１に用いられる天壁１１を、新たなプロセス条件に応じた形状の溝７０が形成された天壁１１に交換する。これにより、プラズマ処理装置１においてプラズマ条件が変わる場合、プラズマ条件に応じた溝７０が形成された天壁１１を用いて基板Ｗを処理することで、プラズマ処理中のプラズマ密度分布の均一化を図ることができる。
今回開示された一実施形態に係るプラズマ処理装置及び天壁は、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。
本開示のプラズマ処理装置は、マイクロ波プラズマ処理装置を用いたが、天壁１１に設けられた開口１１ａから電磁波導入窓を介して電磁波を導入し、ガスをプラズマ化するプラズマ処理装置であれば、いずれのプラズマ処理装置を用いてもよい。
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、１１ａ…開口、１６…ガス導入管、２１…載置台、２１ａ…載置面、２４…整合器、２５…高周波バイアス電源、５０…マイクロ波出力部、５１…電源部、５２…マイクロ波発振器、５３…アンプ、５４…分配器、６０…アンテナユニット、６１…アンテナモジュール、６２…アンプ部、６３…マイクロ波導入機構、６４…チューナ、６５…アンテナ部、６６…本体容器、６７…内側導体、７１…平面アンテナ、７１ａ…スロット、７２…マイクロ波遅波材、７３…マイクロ波導入窓、Ｗ…基板

Claims (11)

  1. 処理容器内に供給されたガスをプラズマ化して基板を処理するプラズマ処理装置であって、
    前記処理容器の天壁に複数設けられた開口に設けられ、マイクロ波のパワーを前記処理容器内に供給するマイクロ波導入窓と、
    前記開口を囲むように前記天壁に形成された溝と、を有し、
    前記溝と前記開口との間の幅が、前記開口の周方向に対して均一でなく、
    複数の前記開口のうち中心の開口に形成された溝と、前記中心の開口の周囲の開口に形成された溝とは、異なる形状を有する、プラズマ処理装置。
  2. 処理容器内に供給されたガスをプラズマ化して基板を処理するプラズマ処理装置であって、
    前記処理容器の天壁に複数設けられた開口に設けられ、マイクロ波のパワーを前記処理容器内に供給するマイクロ波導入窓と、
    前記開口を囲むように前記天壁に形成された溝と、を有し、
    前記溝と前記開口との間の幅が、前記開口の周方向に対して均一でなく、
    前記溝は、楕円形状を有する、プラズマ処理装置。
  3. 前記溝は、前記楕円形状の長辺が、前記天壁の円周方向又は径方向に向くように形成される、
    請求項２に記載のプラズマ処理装置。
  4. 前記溝は、複数の前記開口に設けられ、
    複数の前記開口に形成された前記溝の少なくともいずれかは、前記開口に対して外周側又は内周側に偏って形成される、
    請求項１～３のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。
  5. 前記溝は、前記開口を囲む一部に凹みのない開口部を有する、
    請求項１～４のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。
  6. 前記開口部は、隣り合う前記開口の対向位置に形成される、
    請求項５に記載のプラズマ処理装置。
  7. 前記溝と前記開口との間の前記幅は、処理した前記基板の上に生成された膜の屈折率、前記膜の厚さ又は前記基板の処理時のプラズマ密度に応じた異なる幅を有する、
    請求項１～６のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。
  8. 前記溝は、前記天壁の中心に対して点対称に配置される、
    請求項１～７のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。
  9. 前記溝の深さは、前記マイクロ波の表面波の波長λｓｐに対してλｓｐ／４±λｓｐ／８である、
    請求項１～８のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。
  10. 基板を処理する処理容器に着脱可能な天壁であって、
    前記天壁の開口に設けられ、マイクロ波のパワーを前記処理容器内に供給するマイクロ波導入窓と、
    前記開口を囲むように前記天壁に形成された溝と、を有し、
    前記溝と前記開口との間の幅が、前記開口の周方向に対して均一でなく、
    複数の前記開口のうち中心の開口に形成された溝と、前記中心の開口の周囲の開口に形成された溝とは、異なる形状を有する、天壁。
  11. 基板を処理する処理容器に着脱可能な天壁であって、
    前記天壁の開口に設けられ、マイクロ波のパワーを前記処理容器内に供給するマイクロ波導入窓と、
    前記開口を囲むように前記天壁に形成された溝と、を有し、
    前記溝と前記開口との間の幅が、前記開口の周方向に対して均一でなく、
    前記溝は、楕円形状を有する、天壁。
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