WO2021131971A1 - プラズマ処理装置及びプラズマ処理方法 - Google Patents

プラズマ処理装置及びプラズマ処理方法 Download PDF

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WO2021131971A1
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plasma
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waveguide
pin
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俊彦 岩尾
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東京エレクトロン株式会社
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Definitions

  • the present disclosure relates to a plasma processing apparatus and a plasma processing method.
  • Patent Document 1 discloses a plasma processing apparatus that applies a predetermined plasma treatment to a substrate to be processed.
  • the upper electrode includes an electrode plate provided so as to face the lower electrode, and the electrode plate is higher than the outer portion made of a conductor or a semiconductor and the dielectric member or the outer portion. It has a central portion composed of a high resistance member of resistance.
  • High-frequency power is supplied to the upper electrode from the surface opposite to the lower electrode.
  • the frequency of the high frequency power supplied is 27 MHz or more.
  • the technique according to the present disclosure improves the uniformity of processing results in the circumferential direction and the like when plasma processing is performed using plasma generated based on high-frequency power of 30 MHz or more.
  • One aspect of the present disclosure is a plasma processing apparatus that plasma-processes a processing object, which is arranged at a position facing the mounting table on which the processing target is placed and the above-mentioned table, and has a high frequency of 30 MHz or more.
  • the waveguide has an electrode to which power is supplied and a waveguide in which an electromagnetic wave generated based on the high-frequency power is propagated to a plasma processing space formed between the above-mentioned stand and the electrode.
  • the end portion on the plasma processing space side is formed in a circular shape in a plan view so as to surround the outer periphery of the electrode, and a plurality of pins are provided so as to project into the waveguide. They are arranged at positions separated from each other along.
  • the uniformity of processing results in the circumferential direction and the like can be improved.
  • FIG. 1 It is a figure which shows typically an example of the plasma processing result in the conventional plasma processing apparatus. It is a figure which shows the other example of the plasma processing result by the conventional plasma processing apparatus schematically. It is a vertical cross-sectional view schematically showing the outline of the structure of the film forming apparatus as the plasma processing apparatus which concerns on this embodiment. It is a partially enlarged view of FIG. It is a figure which shows the arrangement form of a pin, and shows the processing container in the cross section. It is a figure which shows the distribution of the electric field strength of the electromagnetic wave propagating in the plasma processing space schematically under the dielectric window, and shows the distribution when a pin is not provided.
  • a plasma process in which a film is formed or etched on a processing target such as a semiconductor wafer (hereinafter referred to as "wafer") using plasma.
  • a processing target such as a semiconductor wafer (hereinafter referred to as "wafer") using plasma.
  • the plasma treatment it is preferable to use plasma having a high density and a low electron temperature from the viewpoint of shortening the process time and reducing damage to the object to be treated.
  • high-frequency power such as a VHF band may be used.
  • high frequency power of 27 MHz or more is supplied for plasma generation.
  • the film thickness distribution D1 may be twice symmetrical as shown in FIG.
  • the film thickness distribution of FIG. 1 when the substrate is divided into four along the circumferential direction, the film thickness is large in one of the regions R1 and R3 facing each other, and the film thickness is large in the other regions R2 and R4 facing each other. It's getting smaller.
  • the film thickness distribution D2 may be a one-way film thickness distribution.
  • the film thickness gradually decreases from the peripheral end on one side in the substrate width direction (left side in the figure) to the peripheral end on the other side in the substrate direction (right side in the figure).
  • Patent Document 1 does not disclose in this regard.
  • the technique according to the present disclosure improves the uniformity of processing results in the circumferential direction and the like when plasma processing is performed using plasma generated based on high-frequency power of 30 MHz or more such as the VHF band.
  • FIG. 3 is a vertical cross-sectional view schematically showing the outline of the configuration of the film forming apparatus 1 as the plasma processing apparatus according to the present embodiment.
  • FIG. 4 is a partially enlarged view of FIG.
  • FIG. 5 is a diagram showing an arrangement form of pins described later, and shows a processing container described later in cross section.
  • the film forming apparatus 1 of FIG. 3 is for forming a film on the wafer W as a processing target by plasma processing.
  • the plasma used for plasma processing is generated based on high frequency power of 30 MHz or more. Further, the film forming apparatus 1 forms, for example, a SiN film.
  • the film forming apparatus 1 includes a processing container 10 in which a plasma processing space S is formed.
  • the plasma processing space is formed between the mounting table described later and the shower head provided in the processing container 10.
  • the processing container 10 has a container body 11 and a lid body 12.
  • the container body 11 and the lid 12 are made of aluminum or the like and are electrically connected to the ground potential.
  • a liner (not shown) on which a thermal spray coating made of a plasma resistant material is formed.
  • the container body 11 is formed in a hollow shape having an opening 11a, and specifically, is formed in a bottomed cylindrical shape having an opening 11a at the top.
  • the central axis of the side wall of the container body 11 coincides with the central axis of the container body 11.
  • an exhaust device is provided at the bottom of the container body 11 via an APC valve (not shown) or the like in order to reduce the pressure of the processing container 10, specifically, the plasma processing space S. Is connected.
  • the lid body 12 is formed in a disk shape having a through hole 12a in the center.
  • the lid 12 is attached to the upper side of the container body 11 so as to close the opening 11a of the container body 11.
  • the central axis of the lid 12 and the through hole 12a coincides with the central axis of the container body 11.
  • a mounting table 20 on which the wafer W is horizontally placed is provided on the upper surface.
  • the mounting table 20 is supported by a support member 21 erected in the center of the bottom of the container body 11.
  • the mounting table 20 is provided with a heater for heating the wafer W.
  • a heating mechanism such as a heater
  • a cooling mechanism having a refrigerant flow path through which a cooling refrigerant flows may be provided, or both a heating mechanism and a cooling mechanism may be provided.
  • a substrate support pin (not shown) is provided so as to be vertically movable with respect to the mounting table 20. The substrate support pin is for passing the wafer W between the transfer device (not shown) of the wafer W inserted into the processing container 10 from the outside of the processing container 10 and the mounting table 20.
  • a shower head electrode 30 is provided above the plasma processing space S of the mounting table 20 in the processing container 10 at a position facing the mounting table 20.
  • the shower head electrode 30 is formed of a conductive material, specifically, a metal material such as aluminum, and has a disk shape.
  • the distance from the lower surface of the shower head electrode 30 to the upper surface of the mounting table 20 is, for example, 150 mm.
  • the shower head electrode 30 is supported by the processing container 10 via the dielectric window 40.
  • the shower head electrode 30 and the dielectric window 40 separate the upper space and the lower space in the processing container 10.
  • the inside of the processing container 10 is sealed by the shower head electrode 30 and the dielectric window 40 so that only the above-mentioned lower space is depressurized when the inside of the processing container 10 is depressurized by the above-mentioned exhaust device.
  • the central axis of the shower head electrode 30 coincides with the central axis of the container body 11. The details of the dielectric window 40 will be described later.
  • a gas diffusion chamber 31 formed in a substantially disk shape is provided inside the shower head electrode 30, a gas diffusion chamber 31 formed in a substantially disk shape is provided.
  • a plurality of gas discharge ports 32 communicating with the gas diffusion chamber 31 are provided in the lower part of the shower head electrode 30, that is, the portion on the plasma processing space S side.
  • a gas supply source 50 provided outside the processing container 10 is connected to the gas diffusion chamber 31. The plasma processing gas from the gas supply source 50 is supplied to the gas diffusion chamber 31 and discharged to the plasma processing space S through the gas discharge port 32.
  • the dielectric window 40 is provided so as to cover the outer peripheral surface of the shower head electrode 30, and also transmits an electromagnetic wave based on high-frequency power propagating through the waveguide 80, which will be described later, to the plasma processing space S.
  • the film forming apparatus 1 further includes a coaxial waveguide 60.
  • the coaxial waveguide 60 has an inner conductor 61 and an outer conductor 62.
  • One end of the inner conductor 61 is connected to the center of the upper surface of the shower head electrode 30.
  • the central axis of the inner conductor 61 coincides with the central axis of the container body 11.
  • the other end of the inner conductor 61 is connected to the high frequency power supply 71 via the matching unit 70.
  • the high frequency power from the high frequency power supply 71 is supplied to the shower head electrode 30 via the matching unit 70.
  • the high frequency power supply 71 outputs high frequency power of 30 MHz or more, specifically, high frequency power of VHF band (30 MHz to 300 MHz) or UHF band (300 MHz to 3 GHz). In the following, it is assumed that the high frequency power supply 71 outputs high frequency power in the VHF band.
  • the outer conductor 62 is connected to the upper surface of the lid 12.
  • the central axis of the outer conductor 62 coincides with the central axis of the container body 11.
  • the inner diameter of the outer conductor 62 is substantially the same as the diameter of the through hole 12a of the lid body 12.
  • the film forming apparatus 1 further has a waveguide 80.
  • the waveguide 80 propagates the electromagnetic wave generated based on the high frequency power from the high frequency power supply 71 to the plasma processing space S.
  • the waveguide 80 has first to fourth waveguides 81 to 84.
  • the first waveguide 81 is defined by the outer peripheral surface of the inner conductor 61, the inner peripheral surface of the outer conductor 62, and the like, and propagates the electromagnetic wave in the axial direction (downward in the vertical direction) along the inner conductor 61.
  • the second waveguide 82 is continuous from the first waveguide 81 and is defined by the lower surface of the lid 12 and the upper surface of the shower head electrode 30.
  • the second waveguide 82 propagates the electromagnetic wave outward in the horizontal direction along the radial direction in a plan view.
  • the third waveguide 83 is continuous from the second waveguide 82 and is defined by the outer peripheral surface of the shower head electrode 30 and the inner peripheral surface of the side wall of the container body 11.
  • the third waveguide 83 propagates the electromagnetic wave in the axial direction (downward in the vertical direction) along the outer peripheral surface of the shower head electrode 30.
  • the fourth waveguide 84 is continuous with the third waveguide 83 and is provided with a dielectric window 40.
  • the fourth waveguide 84 propagates the electromagnetic wave propagating through the third waveguide 83 to the plasma processing space through the dielectric window 40.
  • the fourth waveguide 84 is defined by, for example, the outer peripheral surface of the shower head electrode 30 and the inner peripheral surface of the side wall of the container body 11.
  • the first to fourth waveguides 81 to 84 are formed in a circular shape in a plan view.
  • the third and fourth waveguides 83 and 84 located at the end of the waveguide 80 on the plasma processing space S side are formed so as to surround the outer circumference of the shower head electrode 30.
  • plasma is generated in the plasma processing space S by the electromagnetic wave propagated through the dielectric window 40.
  • a high frequency power supply for RF bias may be electrically connected to the mounting table 20 via a matching device.
  • the high frequency power supply for RF bias outputs high frequency power of, for example, 400 kHz to 20 MHz.
  • the film forming apparatus 1 includes a control unit U.
  • the control unit U is composed of, for example, a computer equipped with a CPU, a memory, or the like, and has a program storage unit (not shown).
  • a program is stored in the program storage unit to control the high-frequency power supply 71 and the like for various processes in the film forming apparatus 1.
  • the program may be recorded on a storage medium readable by a computer and may be installed on the control unit U from the storage medium.
  • the film forming apparatus 1 is provided with three or more pins 90 so as to project into the waveguide 80.
  • the number of pins 90 is eight.
  • Each of the pins 90 is provided so as to project into the waveguide 80 from the inner peripheral surface of the film forming apparatus 1 forming the waveguide 80. Specifically, as shown in FIG. 4, each of the pins 90 is provided so as to project horizontally from the inner peripheral surface of the side wall of the container body 11 into the third waveguide 83. More specifically, the protruding direction of the pin 90 is the radial direction centered on the central axis of the processing container 10 in a plan view. Although the pins 90 are provided so as to project, they are between the wall surfaces forming the waveguide 80 (specifically, between the outer peripheral surface of the shower head electrode 30 and the inner peripheral surface of the side wall of the container body 11). Is not an electrical short circuit. The pin 90 projects into the waveguide 80 in such a manner that no electrical short circuit occurs between the wall surfaces forming the waveguide 80.
  • the pin 90 is formed of a conductive material, specifically, a metal material such as aluminum.
  • the pin 90 is formed in a rod shape, for example, and specifically, the tip is formed in a spherical columnar shape.
  • the amount of protrusion of the pin 90 from the inner peripheral surface of the side wall of the container body 11 is 1 mm to 48 mm.
  • the tip of the pin 90 needs to be separated from the outer peripheral surface of the shower head electrode 30 by 2 mm or more from the viewpoint of preventing electric discharge.
  • the distance between the inner peripheral surface of the side wall of the container body 11 and the outer peripheral surface of the shower head electrode 30 is 10 mm to 50 mm.
  • the pin 90 is used by being inserted into a lateral hole 11b provided on the side wall of the container body 11, for example. By brazing the pin 90 through the lateral hole 11b, the pin 90 is fixed to the side wall of the processing container 10 and electrically connected to the processing container 10. As described above, since the processing container 10 is grounded, the pin 90 also has a ground potential.
  • the pins 90 are arranged at positions separated from each other along the circumferential direction centered on the central axis of the processing container 10 in a plan view. More specifically, the pins 90 are arranged at equal intervals along the circumferential direction in a plan view.
  • FIG. 6 and 7 are diagrams schematically showing the distribution of the electric field strength of the electromagnetic wave propagating in the plasma processing space S immediately below the dielectric window 40
  • FIG. 6 is a diagram schematically showing the distribution of the electromagnetic wave propagating in the plasma processing space S
  • FIG. 7 shows the case where the pin 90 is provided.
  • the following description is based on the premise that the distance between the mounting table 20 and the shower head electrode 30 is large in a plasma processing device such as a film forming apparatus 1 that uses high-frequency power such as a VHF band for plasma generation. There is.
  • the waveguide 80 of the film forming apparatus 1 is substantially the same as the coaxial cable.
  • the cutoff frequency Fc of the coaxial cable can be expressed by the following equation (1).
  • d is the diameter of the inner conductor of the coaxial cable
  • D is the inner diameter of the outer conductor
  • ⁇ r is the relative permittivity of the insulator interposed between the inner conductor and the outer conductor.
  • the diameter of the shower head electrode 30 corresponds to the diameter d of the internal conductor, and the container.
  • the inner diameter of the side wall of the main body 11 corresponds to the inner diameter D of the outer conductor. Since the wafer W is large, the diameter of the shower head electrode 30 corresponding to the diameter d of the inner conductor and the inner diameter of the side wall of the container body 11 corresponding to the inner diameter D of the outer conductor are also large. Therefore, as is clear from the equation (1), when the third and fourth waveguides 83 and 84 are regarded as coaxial cables, their cutoff frequency Fc is small. On the other hand, the frequency of the electromagnetic wave propagating in the waveguide 80 is high, which exceeds the cutoff frequency Fc. Therefore, the waveguide 80 has a higher-order mode other than the TEM mode.
  • the magnitude of the electric field of the electromagnetic wave propagating to the plasma processing space S through the dielectric window 40 is not uniform in the circumferential direction, for example, as shown in FIG. ,
  • the portion P1 having a strong electric field and the portion P2 having a weak electric field are alternately generated twice along the circumferential direction.
  • the plasma density is high in the portion where the electric field is strong and the plasma density is low in the portion where the electric field is weak
  • the pin 90 is not provided, the vicinity of the dielectric window 40 of the plasma processing space S, that is, the peripheral portion of the shower head electrode 30 In the vicinity, regions with high plasma density and regions with low plasma density occur alternately twice along the circumferential direction.
  • the number of regions where the plasma density is high and the regions where the plasma density is low alternately occur along the circumferential direction (hereinafter, the number of appearances of the high and low regions of the plasma density) is as small as 2 times, and the plasma density is low.
  • the distance between the high and low areas is large. Therefore, even if the distance between the shower head electrode 30 and the mounting table 20 is large and the plasma generated in the vicinity of the shower head electrode 30 is diffused and reaches the vicinity of the mounting table 20, it is mounted in the vicinity of the shower head electrode 30.
  • the distribution of plasma density does not change much from the vicinity of the pedestal 20. Therefore, when the pin 90 is not provided, the film formed by the film forming apparatus may have a twice-symmetrical film thickness distribution as shown in FIG.
  • the film forming apparatus 1 is provided with eight pins 90 protruding into the waveguide 80. Therefore, in the electromagnetic wave propagated to the plasma processing space S through the dielectric window 40, the magnitude of the electric field is not uniform in the circumferential direction as in the case where the pin 90 is not provided, but as shown in FIG. 7, the electric field is electric field.
  • the portion P1 having a strong electric field and the portion P2 having a weak electric field are alternately generated eight times along the circumferential direction. That is, in the film forming apparatus 1, the number of appearances in the high and low regions of the plasma density is as high as 8 times in the vicinity of the dielectric window 40 of the plasma processing space S, that is, in the vicinity of the peripheral edge of the shower head electrode 30.
  • the distance between the region where the plasma density is high and the region where the plasma density is low is small. Therefore, when the plasma generated in the vicinity of the shower head electrode 30 is diffused and reaches the vicinity of the mounting table 20 due to the large distance between the shower head electrode 30 and the mounting table 20, the plasma density in the vicinity of the mounting table 20 is increased. The variation in the circumferential direction is reduced, and the plasma density becomes uniform in the plane. Therefore, the film formed by the film forming apparatus 1 has a uniform thickness in the plane.
  • the number of appearances in the high and low regions of the plasma density is 3 or more in the vicinity of the peripheral edge of the shower head electrode 30 in the plasma processing space S. Three or more are required.
  • the one-sided film thickness distribution occurs means that when the pin 90 is not provided, the number of occurrences of high and low regions of plasma density is one in the vicinity of the peripheral edge of the shower head electrode 30 of the plasma processing space S.
  • the pin 90 By providing the pin 90, if the number of occurrences of the high and low regions of the plasma density in the vicinity of the peripheral edge of the shower head electrode 30 of the plasma processing space S is set to 2 or more, the plasma density is compared with the case where the pin 90 is not provided. The distance between the high region and the low region is reduced, and the variation in plasma density is reduced in the vicinity of the mounting table 20. The number of appearances in the high and low regions of the plasma density coincides with the number of pins 90. Therefore, in order to improve the one-sided film thickness distribution as shown in FIG. 2, two or more pins 90 are required.
  • the wafer W is carried into the processing container 10 and placed on the mounting table 20. Then, the inside of the processing container 10 is exhausted by an exhaust device (not shown), and the pressure in the plasma processing space S is adjusted to a predetermined pressure.
  • the plasma processing gas is supplied from the gas supply source 50 to the plasma processing space S via the gas diffusion chamber 31 of the shower head electrode 30 and the like at a predetermined flow rate.
  • the plasma processing gas includes, for example, an excitation gas such as Ar gas, nitrogen gas and silane gas for forming a SiN film, and the like.
  • the electromagnetic wave generated based on the high-frequency power propagates in the waveguide 80 and is supplied to the plasma processing space S through the dielectric window 40. Since the pins 90 are arranged on the waveguide 80 at positions separated from each other along the circumferential direction in the plan view, the density of the plasma generated by the electromagnetic wave supplied to the plasma processing space S is as described above. It becomes uniform in the plane of the wafer W in the vicinity of the mounting table 20. In this way, the wafer W is processed by plasma having a uniform density in the plane. Therefore, a SiN film having a uniform film thickness in the plane is formed on the wafer W. Further, the refractive index of the formed SiN film is also uniform in the wafer surface.
  • the supply of plasma processing gas from the gas supply source 50 and the supply of high frequency power in the VHF band from the high frequency power supply 71 are stopped. After that, the wafer W is carried out from the processing container 10, and the wafer processing is completed.
  • the film forming apparatus 1 is arranged at a position facing the mounting table 20 on which the wafer W is mounted and the mounting table 20, and is supplied with high-frequency power in the VHF band. It has a head electrode 30 and a waveguide 80 that propagates an electromagnetic wave generated based on the high-frequency power to a plasma processing space S formed between the mounting table 20 and the shower head electrode 30.
  • the end of the waveguide 80 on the plasma processing space S side is formed in a circular shape in a plan view so as to surround the outer circumference of the shower head electrode 30, and a plurality of pins 90 are formed so as to project into the waveguide 80.
  • the pins 90 are provided at positions separated from each other along the circumferential direction in a plan view.
  • the pin 90 is not provided, the two-fold symmetric film thickness distribution D1 as shown in FIG. 1 and the one-sided film thickness distribution D2 as shown in FIG. 2 occur (that is, such a film thickness distribution without the pin 90).
  • the plasma density in the vicinity of the mounting table 20 becomes non-uniform to the extent that the mounting table 20 is generated)
  • the plasma density in the vicinity of the mounting table 20 can be made uniform in the wafer surface by the pin 90.
  • the uniformity of the film forming process result in the circumferential direction and the like can be improved. it can.
  • the present embodiment it is possible to improve the uniformity of the film forming treatment result in the circumferential direction and the like without rotating the wafer W. Therefore, the cost can be reduced as compared with the case where the rotation mechanism of the wafer W is provided. Further, the processing result is not deteriorated by the particles generated by driving the rotation mechanism. If the plasma treatment result is concentrically biased, it can be dealt with by adjusting the treatment conditions such as adjusting the amount of plasma treatment gas inside and outside the wafer W, but it is twice symmetrical as described above. It is difficult to eliminate the bias in the circumferential direction and the bias in the one-sided flow by adjusting the processing conditions.
  • the pins 90 are preferably arranged at equal intervals along the circumferential direction in a plan view. By making the intervals evenly along the circumferential direction, the distance between the region where the plasma density is high and the region where the plasma density is low can be reduced in the vicinity of the peripheral edge of the shower head electrode 30 regardless of the number of pins 90. It is possible to more reliably improve the uniformity of the film forming treatment result regarding the above.
  • the pins 90 are arranged at equal intervals along the circumferential direction in a plan view, the intervals at which the pins 90 are provided do not have to be exactly the same, and the variation in the plasma density in the circumferential direction is reduced in the vicinity of the mounting table 20. It suffices if the uniformity of the film treatment result can be improved.
  • all pins 90 have the same amount of protrusion. In other words, it is not necessary to adjust the protrusion amount for each pin 90. In this way, it is possible to improve the uniformity of the film forming treatment result in the circumferential direction and the like without adjusting the protrusion amount for each pin 90.
  • FIG. 8 is a top view of the plasma processing space S for explaining the simulation conditions.
  • the plasma processing space S was assumed to be cylindrical.
  • one region A1 and A3 facing each other will be referred to as a low electron density region
  • the other regions A2 and A4 facing each other will be referred to as a high electron density region.
  • FIG. 9 is a diagram showing a simulation result on the influence of the number of pins 90 and the arrangement angle of the pins 90.
  • the horizontal axis represents the value (NH / NL) of the ratio of the electron densities (NH) of the high electron density regions A2 and A4 to the electron densities (NL) of the low electron density regions A1 and A3.
  • making the value of the electron density ratio (NH / NL) larger than 1 means making the plasma density symmetrical twice.
  • the vertical axis indicates the power of the electromagnetic waves input to the high electron density regions A2 and A4 with respect to the power (PL) of the electromagnetic waves input to the low electron density regions A1 and A3 when high frequency power is supplied to the shower head electrode 30.
  • the value (PH / PL) of the ratio of (PH) is shown.
  • the pin 90 when the pin 90 is not provided (in the case of "No Pin"), when the value of the ratio of the electron density (NH / NL) increases, the ratio of the power of the electromagnetic wave (PH / PL). Will also increase. That is, when the pin 90 is not provided, as the plasma density of the plasma processing space S becomes non-uniform, the plasma density becomes more non-uniform, in other words, the non-uniformity of the plasma density is promoted. As described above, the electromagnetic wave is supplied to the plasma processing space S.
  • the arrangement angle of the pins 90 is (45 + n ⁇ 90) ° (n is 0 to 3) when the boundary between the low electron density region A1 and the high electron density region A2 is 0 °.
  • the arrangement angle of the pins 90 is shifted by 45 ° from the state of "4 Pins” (in the case of "4 Pins 45 deg"), that is, the low electron density region and the high electron density region.
  • the pin 90 When the pin 90 is provided at the boundary with the pin 90, as the value of the electron density ratio (NH / NL) increases, the power ratio (PH / PL) of the electromagnetic wave also increases, as in the case where the pin 90 is not provided. .. On the other hand, when eight pins 90 are provided and the arrangement angle of the pins 90 is (22.5 + m ⁇ 45) ° (m is an integer of 0 to 7) (in the case of “8 Pins”), the electron density is described above. As the value of the ratio (NH / NL) increases, the power ratio (PH / PL) of the electromagnetic wave decreases.
  • the arrangement angle of the pins 90 is shifted by 22.5 ° from the state of "8 Pins" (in the case of "8 Pins 22.5 deg"), that is, a low electron density region and a high electron density region.
  • the power ratio (PH / PL) of the electromagnetic wave decreases as the electron density ratio value (NH / NL) increases. That is, by setting the number of pins 90 to 8 or more, the non-uniformity of the plasma density in the plasma processing space S can be reliably improved regardless of the arrangement angle of the pins 90.
  • FIG. 10 is a diagram showing a simulation result of the electric field distribution at the arrangement position of the pin 90. What is shown in the figure is the result when the above-mentioned electron density ratio value (NH / NL) is 1.3 and the number of pins 90 is eight. In the figure, the strength of the electric field is indicated by the shade of color, and the stronger the electric field, the darker the color. By providing the pin 90, as shown in the figure, the electric field is concentrated near the tip of the pin 90.
  • FIG. 11 is a diagram showing simulation results on the influence of the path length from the plasma processing space S to the pin 90. What is shown in the figure is the result when the above-mentioned electron density ratio value (NH / NL) is 1.3 and the number of pins 90 is eight.
  • the horizontal axis indicates the path length L (see FIG. 4) from the plasma processing space S to the pin 90.
  • the path length is specifically the length from the end face of the dielectric window 40 on the plasma processing space S side to the pin 90, and more specifically, from the end face of the dielectric window 40 on the plasma processing space S side. It is the length connecting the center lines of the waveguide up to pin 90.
  • the vertical axis represents the value (PH / PL) of the power ratio of the above-mentioned electromagnetic waves.
  • the value of the power ratio (PH / PL) of the electromagnetic wave is less than 1. That is, if the path length L is 40 mm or less, the non-uniformity of the plasma density in the plasma processing space S can be improved by providing the pin 90. Further, when the path length L is 50 mm, the value (PH / PL) of the power ratio of the electromagnetic waves is 1.04. At first glance, this result seems to be unfavorable when the path length L is 50 mm because the bias of the plasma density in the plasma processing space S is promoted, but this simulation result is a result for an extreme environment.
  • the path length L is preferably 50 mm or less.
  • the reason why the bias of the plasma density distribution cannot be eliminated even if the pin 90 is provided when the path length L becomes large is as follows, for example. When the path length L becomes large, the influence of the pin 90 is weakened while the electromagnetic wave propagates to the dielectric window 40, and the electric field distribution by the pin 90 is weakened.
  • the electromagnetic wave propagated to the plasma processing space S through the dielectric window 40 becomes the same as in the case where the pin 90 is not provided. Therefore, it is considered that the bias of the plasma density distribution cannot be eliminated even if the pin 90 is provided.
  • the pin 90 is electrically connected to the container body 11 on the ground potential, that is, the cold side, and protrudes from the container body 11.
  • the pin may be electrically connected to the shower head electrode 30 on the hot side to which high frequency power is supplied so as to project from the shower head electrode 30 side to the waveguide 80.
  • the pin is discharged so that the container body 11 and the shower head electrode 30 are not electrically short-circuited via the pin, and the container body 11 and the shower head electrode are discharged from each other. It is provided so that it does not occur.
  • the pin may not be electrically connected to either the container body 11 or the shower head electrode 30, and may be electrically floated.
  • the pin is made of a conductive material, but may be made of a dielectric material.
  • the pins are made of a conductive material and are not electrically floated, but are electrically connected to the container body 11 on the cold side or the shower head electrode 30 on the hot side. It is preferable to connect to.
  • the pin 90 is provided in the third waveguide 83 of the waveguide 80.
  • pins may be provided in the second waveguide 82 or the fourth waveguide 84 of the waveguide 80.
  • the protruding length of the pin was fixed.
  • the protruding length of the pin 90 may be adjusted by forming a female screw on the inner peripheral surface of the lateral hole 11b and forming a male screw on the outer peripheral surface of the pin 90. Further, the protruding length of the pin 90 may be adjusted in this way, and the pin 90 may be projected only when necessary.
  • the film forming apparatus has been described as an example, but the technique according to the present disclosure can also be applied to a plasma processing apparatus that performs a process other than the film forming process.
  • the plasma treatment it can be applied to a plasma processing apparatus that performs an etching treatment or a doping treatment.

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Abstract

処理対象体をプラズマ処理するプラズマ処理装置であって、前記処理対象体が載置される載置台と、前記載置台に対向する位置に配設され、３０ＭＨｚ以上の高周波電力が供給される電極と、前記高周波電力に基づいて生じた電磁波を前記載置台と前記電極との間に形成されるプラズマ処理空間へ伝搬する導波路と、を有し、前記導波路は、前記プラズマ処理空間側の端部が、前記電極の外周を囲むように平面視環状に形成され、当該導波路内に突出するようにピンが複数設けられ、前記ピンはそれぞれ、平面視において周方向に沿って互いに離間した位置に配置されている。

Description

プラズマ処理装置及びプラズマ処理方法
　本開示は、プラズマ処理装置及びプラズマ処理方法に関する。
　特許文献１には、処理対象基板に所定のプラズマ処理を施すプラズマ処理装置が開示されている。このプラズマ処理装置では、上部電極が、下部電極に対向するように設けられた電極板を備え、この電極板が、導電体または半導体で構成された外側部分と、誘電体部材または外側部分より高抵抗の高抵抗部材で構成された中央部分とを有する。上部電極には、その下部電極とは反対側の面から高周波電力が供給される。特許文献１において、供給される高周波電力の周波数は２７ＭＨｚ以上である。
特開２０００－３２３４５６号公報
　本開示にかかる技術は、３０ＭＨｚ以上の高周波電力に基づいて生成されたプラズマを用いてプラズマ処理を行う場合において、周方向等に関する処理結果の均一性を改善する。
　本開示の一態様は、処理対象体をプラズマ処理するプラズマ処理装置であって、前記処理対象体が載置される載置台と、前記載置台に対向する位置に配設され、３０ＭＨｚ以上の高周波電力が供給される電極と、前記高周波電力に基づいて生じた電磁波を前記載置台と前記電極との間に形成されるプラズマ処理空間へ伝搬する導波路と、を有し、前記導波路は、前記プラズマ処理空間側の端部が、前記電極の外周を囲むように平面視環状に形成され、当該導波路内に突出するようにピンが複数設けられ、前記ピンはそれぞれ、平面視において周方向に沿って互いに離間した位置に配置されている。
　本開示によれば、３０ＭＨｚ以上の高周波電力に基づいて生成されたプラズマを用いてプラズマ処理を行う場合において、周方向等に関する処理結果の均一性を改善することができる。
従来のプラズマ処理装置でのプラズマ処理結果の一例を模式的に示す図である。 従来のプラズマ処理装置でのプラズマ処理結果の他の例を模式的に示す図である。 本実施形態に係るプラズマ処理装置としての成膜装置の構成の概略を模式的に示した縦断面図である。 図３の部分拡大図である。 ピンの配設形態を示す図であり、処理容器を断面で示している。 プラズマ処理空間内に伝搬される電磁波の電界強度の分布であって誘電体窓の直下での分布を模式的に示す図であり、ピンが設けられていない場合の分布を示している。 プラズマ処理空間内に伝搬される電磁波の電界強度の分布であって誘電体窓の直下での分布を模式的に示す図であり、ピンが設けられている場合の分布を示している。 シミュレーション条件を説明するための、プラズマ処理空間の上面図である。 ピンの本数と、ピンの配設角度とが及ぼす影響についてのシミュレーション結果を示す図である。 ピンの配設位置での電界分布のシミュレーション結果を示す図である。 プラズマ処理空間からピンまでの経路長が及ぼす影響についてのシミュレーション結果を示す図である。
　半導体などの製造プロセスにおける処理として、プラズマを用いて半導体ウェハ（以下、「ウェハ」という）等の処理対象体に対して成膜やエッチングを行うプラズマ処理がある。プラズマ処理では、プロセス時間の短縮や処理対象体へのダメージ低減等の観点から、高密度且つ低電子温度のプラズマを用いることが好ましい。そして、このような高密度且つ低電子温度のプラズマを生成するために、ＶＨＦ帯等の高周波の電力を用いる場合がある。特許文献１では、２７ＭＨｚ以上の高周波電力がプラズマ生成用に供給されている。
　しかし、ＶＨＦ帯等の高周波の電力をプラズマ生成に用いる場合、プラズマ処理結果の面内均一性に関し、改善の余地がある。具体的には、従前の装置の構成では、ＶＨＦ帯等の高周波の電力を用いて成膜を行った場合、図１に示すように、膜厚分布Ｄ１が二回対称になることがある。図１の膜厚分布では、基板を周方向に沿って４分割したときに、互いに対向する一方の領域Ｒ１、Ｒ３では膜厚が大きくなり、互いに対向する他方の領域Ｒ２、Ｒ４では膜厚が小さくなっている。膜厚の面内均一性をさらに改善するには、上記二回対称を解消する必要がある。つまり、膜厚分布の周方向に関する均一性に関し改善の余地がある。また、図２に示すように、膜厚分布Ｄ２が片流れの膜厚分布になることもある。図２の膜厚分布Ｄ２では、基板幅方向一方側（図の左側）の周端から基板方向他方側（図の右側）の周端に向けて膜厚が徐々に小さくなっている。膜厚の面内均一性のさらなる改善には、この片流れも解消する必要がある。
　特許文献１は、この点に関し開示するものではない。
　そこで、本開示にかかる技術は、ＶＨＦ帯等の３０ＭＨｚ以上の高周波電力に基づいて生成されたプラズマを用いてプラズマ処理を行う場合において、周方向等に関する処理結果の均一性を改善する。
　以下、本実施形態にかかるプラズマ処理装置の構成について、図面を参照しながら説明する。なお、本明細書において、実質的に同一の機能構成を有する要素においては、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。
　図３は、本実施形態に係るプラズマ処理装置としての成膜装置１の構成の概略を模式的に示した縦断面図である。図４は、図３の部分拡大図である。図５は、後述のピンの配設形態を示す図であり、後述の処理容器を断面で示している。
　図３の成膜装置１は、処理対象体としてのウェハＷに対してプラズマ処理により成膜を行うものである。成膜装置１において、プラズマ処理に用いられるプラズマは３０ＭＨｚ以上の高周波電力に基づいて生成される。また、成膜装置１は例えばＳｉＮ膜の成膜を行う。
　成膜装置１は、内部にプラズマ処理空間Ｓが形成される処理容器１０を備える。処理容器１０において、プラズマ処理空間は、当該処理容器１０内に設けられる後述の載置台とシャワーヘッドとの間に形成される。
　処理容器１０は、容器本体１１及び蓋体１２を有する。容器本体１１及び蓋体１２は、アルミニウム等から形成され、接地電位に電気的に接続されている。なお、処理容器１０のうち、少なくとも容器本体１１においてプラズマに曝される部分は、耐プラズマ性の材料からなる溶射皮膜が形成されたライナ（図示せず）により覆われている。
　容器本体１１は、開口１１ａを有する中空形状に形成され、具体的には、上部に開口１１ａを有する有底の円筒状に形成されている。容器本体１１の側壁の中心軸線は、当該容器本体１１の中心軸線に一致している。なお、図示は省略するが、容器本体１１の底部には、処理容器１０を減圧するため、具体的にはプラズマ処理空間Ｓを減圧するため、排気装置がＡＰＣバルブ（図示せず）等を介して接続されている。
　蓋体１２は、中央に貫通孔１２ａを有する円板状に形成されている。蓋体１２は、容器本体１１の上側に当該容器本体１１の開口１１ａを塞ぐように取り付けられている。蓋体１２及び貫通孔１２ａの中心軸線は、容器本体１１の中心軸線に一致している。
　処理容器１０内におけるプラズマ処理空間Ｓの下方には、上面にウェハＷが水平に載置される載置台２０が設けられている。
　載置台２０は、容器本体１１の底部中央に立設された支持部材２１により支持されている。図示は省略するが、載置台２０には、ウェハＷを加熱するためのヒータが設けられている。なお、ヒータ等の加熱機構に代えて冷却用の冷媒が通流される冷媒流路等を有する冷却機構を設けてもよいし、加熱機構と冷却機構の両方を設けてもよい。また、載置台２０に対して、基板支持ピン（図示せず）が上下動可能に設けられている。基板支持ピンは、処理容器１０の外部から当該処理容器１０内に挿入されるウェハＷの搬送装置（図示せず）と載置台２０との間でウェハＷを受け渡すためのものである。
　処理容器１０内における載置台２０のプラズマ処理空間Ｓの上方には、載置台２０と対向する位置に、シャワーヘッド電極３０が設けられている。
　シャワーヘッド電極３０は、導電性材料、具体的には、アルミニウム等の金属材料から形成され、円板形状を有する。シャワーヘッド電極３０の下面から載置台２０の上面までの距離は、例えば１５０ｍｍである。
　シャワーヘッド電極３０は、誘電体窓４０を介して処理容器１０に支持されている。シャワーヘッド電極３０と誘電体窓４０により、処理容器１０内の上部空間と下部空間とが隔てられている。前述の排気装置によって、処理容器１０内を減圧したときに、上述の下部空間のみが減圧されるよう、当該処理容器１０内は、シャワーヘッド電極３０と誘電体窓４０により、密閉されている。シャワーヘッド電極３０の中心軸線は、容器本体１１の中心軸線に一致している。誘電体窓４０の詳細については後述する。
　シャワーヘッド電極３０の内部には、略円盤状に形成されたガス拡散室３１が設けられている。シャワーヘッド電極３０の下部すなわちプラズマ処理空間Ｓ側の部分には、ガス拡散室３１と連通するガス吐出口３２が複数設けられている。ガス拡散室３１には、処理容器１０の外部に設けられたガス供給源５０が接続されている。ガス供給源５０からのプラズマ処理用ガスは、ガス拡散室３１に供給され、ガス吐出口３２を通じてプラズマ処理空間Ｓに吐出される。
　誘電体窓４０は、シャワーヘッド電極３０の外周面を覆うように設けられており、また、後述の導波路８０を伝搬してきた、高周波電力に基づく電磁波を、プラズマ処理空間Ｓへ透過させる。
　成膜装置１はさらに同軸導波管６０を備えている。同軸導波管６０は、内側導体６１及び外側導体６２を有する。
　内側導体６１の一端は、シャワーヘッド電極３０の上面中央に接続されている。内側導体６１の中心軸線は、容器本体１１の中心軸線に一致している。内側導体６１の他端は、整合器７０を介して、高周波電源７１に接続されている。高周波電源７１からの高周波電力は整合器７０を介してシャワーヘッド電極３０に供給される。高周波電源７１は、３０ＭＨｚ以上の高周波電力、具体的には、ＶＨＦ帯（３０ＭＨｚ～３００ＭＨｚ）またはＵＨＦ帯（３００ＭＨｚ～３ＧＨｚ）の高周波電力を出力する。以下では、高周波電源７１は、ＶＨＦ帯の高周波電力を出力するものとする。
　外側導体６２は、蓋体１２の上面に接続されている。外側導体６２の中心軸線は、容器本体１１の中心軸線に一致している。外側導体６２の内径は、蓋体１２の貫通孔１２ａの直径と略同一である。
　成膜装置１はさらに導波路８０を有する。導波路８０は、高周波電源７１からの高周波電力に基づいて生じた電磁波をプラズマ処理空間Ｓへ伝搬する。導波路８０は、第１～第４導波路８１～８４を有する。
　第１導波路８１は、内側導体６１の外周面や外側導体６２の内周面等により画成されるもので、内側導体６１に沿って軸方向（鉛直方向下方）へ上記電磁波を伝搬する。
　第２導波路８２は、第１導波路８１から連続しており、蓋体１２の下面やシャワーヘッド電極３０の上面により画成される。第２導波路８２は、平面視で径方向に沿って水平方向外側へ上記電磁波を伝搬する。
　第３導波路８３は、第２導波路８２から連続しており、シャワーヘッド電極３０の外周面と容器本体１１の側壁の内周面により画成される。第３導波路８３は、シャワーヘッド電極３０の外周面に沿って軸方向（鉛直方向下方）へ上記電磁波を伝搬する。
　第４導波路８４は、第３導波路８３から連続しており、且つ、誘電体窓４０が設けられている。第４導波路８４は、第３導波路８３を伝搬してきた電磁波を、誘電体窓４０を介してプラズマ処理空間へ伝搬する。第４導波路８４は例えばシャワーヘッド電極３０の外周面や容器本体１１の側壁の内周面により画成される。
　第１～第４導波路８１～８４はそれぞれ平面視環状に形成されている。また、導波路８０のプラズマ処理空間Ｓ側の端部に位置する第３及び第４導波路８３、８４は、シャワーヘッド電極３０の外周を囲むように形成されている。
　成膜装置１では、誘電体窓４０介して伝搬された電磁波により、プラズマ処理空間Ｓにプラズマが生成される。このプラズマ中のイオン等をウェハＷに引き込ませるため、例えば、載置台２０に、整合器を介してＲＦバイアス用の高周波電源が電気的に接続されていてもよい。なお、ＲＦバイアス用の高周波電源は、例えば４００ｋＨｚ～２０ＭＨｚの高周波電力を出力する。
　さらに、成膜装置１は制御部Ｕを備える。制御部Ｕは、例えばＣＰＵやメモリ等を備えたコンピュータにより構成され、プログラム格納部（図示せず）を有している。プログラム格納部には、成膜装置１における各種処理のために高周波電源７１等を制御するためプログラムが格納されている。なお、上記プログラムは、コンピュータに読み取り可能な記憶媒体に記録されていたものであって、当該記憶媒体から制御部Ｕにインストールされたものであってもよい。
　さらにまた、成膜装置１は、導波路８０内に突出するようにピン９０が３本以上設けられている。本例において、ピン９０の本数は８本であるものとする。
　ピン９０はそれぞれ、導波路８０を形成する成膜装置１の内周面から当該導波路８０内に突出するように設けられている。具体的には、ピン９０はそれぞれ、図４に示すように、容器本体１１の側壁の内周面から第３導波路８３内に、水平方向に突出するように設けられている。ピン９０の突出方向は、より具体的には、平面視における、処理容器１０の中心軸線を中心とした径方向である。なお、ピン９０は、突出するように設けられているものの、導波路８０を形成する壁面間（具体的にはシャワーヘッド電極３０の外周面と容器本体１１の側壁の内周面との間）を電気的に短絡するものではない。ピン９０は、導波路８０を形成する壁面間で電気的な短絡が生じないような形態で、導波路８０内に突出している。
　ピン９０は、導電性材料、具体的には、アルミニウム等の金属材料から形成されている。ピン９０は、例えば、棒状に形成されており、具体的には、先端が球状の円柱状に形成されている。ピン９０の、容器本体１１の側壁の内周面からの突出量は、１ｍｍ～４８ｍｍである。ピン９０の先端は、放電防止の観点から、シャワーヘッド電極３０の外周面から２ｍｍ以上離間させておく必要がある。なお、容器本体１１の側壁の内周面とシャワーヘッド電極３０の外周面との間の距離は、１０ｍｍ～５０ｍｍである。
　また、ピン９０は、例えば、容器本体１１の側壁に設けられた横孔１１ｂに挿通されて用いられる。ピン９０を横孔１１ｂに挿通した状態でロウ付けすること等により、当該ピン９０は処理容器１０の側壁に固定されると共に当該処理容器１０に電気的に接続される。前述のように、処理容器１０は接地されているため、ピン９０も接地電位となる。
　このピン９０は、図５に示すように、平面視において、処理容器１０の中心軸線を中心とした周方向に沿って、互いに離間した位置に配置されている。より具体的には、ピン９０は、平面視において、上記周方向に沿って等間隔で配置されている。
　ここで、ピン９０の効果について説明する。図６及び図７は、プラズマ処理空間Ｓ内に伝搬される電磁波の電界強度の分布であって誘電体窓４０の直下での分布を模式的に示す図であり、図６はピン９０が設けられていない場合を示し、図７はピン９０が設けられている場合を示している。
　なお、以下の説明は、ＶＨＦ帯等の高周波の電力をプラズマ生成に用いる成膜装置１等のプラズマ処理装置では、載置台２０とシャワーヘッド電極３０との間の距離が大きい、ということが前提としてある。
　成膜装置１の導波路８０は、疑似的には同軸ケーブルと同様である。同軸ケーブルのカットオフ周波数Ｆｃは以下の式（１）で表すことができる。式（１）において、ｄは同軸ケーブルの内部導体の直径、Ｄは外部導体の内径、εｒは内部導体と外部導体との間に介在する絶縁体の比誘電率である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
　導波路８０のうち、シャワーヘッド電極３０の周縁部近傍の第３及び第４導波路８３、８４を同軸ケーブルとみなした場合、シャワーヘッド電極３０の直径が内部導体の直径ｄに相当し、容器本体１１の側壁の内径が外部導体の内径Ｄに相当する。そして、ウェハＷが大きいため、内部導体の直径ｄに相当するシャワーヘッド電極３０の直径も、外部導体の内径Ｄに相当する容器本体１１の側壁の内径も大きい。したがって、式（１）から明らかなとおり、第３及び第４導波路８３、８４を同軸ケーブルとみなした場合、これらのカットオフ周波数Ｆｃは小さい。それに対し、導波路８０を伝搬する電磁波の周波数は高く、このカットオフ周波数Ｆｃを上回る。そのため、導波路８０には、ＴＥＭモード以外の高次モードが存在してしまう。
　したがって、ピン９０が設けられていない場合、誘電体窓４０を介してプラズマ処理空間Ｓへ伝搬される電磁波は、電界の大きさが周方向に均一とならず、例えば、図６に示すように、電界が強い部分Ｐ１と電界が弱い部分Ｐ２が周方向に沿って交互に２回ずつ生じる。
　また、電界が強い部分では高プラズマ密度となり電界が弱い部分では低プラズマ密度となるため、ピン９０が設けられていない場合、プラズマ処理空間Ｓの誘電体窓４０近傍すなわちシャワーヘッド電極３０の周縁部近傍において、プラズマ密度が高い領域と低い領域が周方向に沿って交互に２回ずつ生じる。
　そして、シャワーヘッド電極３０の周縁部近傍において、プラズマ密度が高い領域と低い領域が周方向に沿って交互に生じる数（以下、プラズマ密度の高低領域出現回数）が２回と少なく、プラズマ密度が高い領域と低い領域との間の距離が大きい。そのため、シャワーヘッド電極３０と載置台２０との間の距離が大きく、シャワーヘッド電極３０の近傍で生じたプラズマが拡散されて載置台２０近傍に到達したとしても、シャワーヘッド電極３０の近傍と載置台２０の近傍とではプラズマ密度の分布があまり変わらない。したがって、ピン９０が設けられていない場合、成膜装置で形成した膜が、図１に示すような、二回対称の膜厚分布となってしまうことがある。
　それに対し、成膜装置１では、導波路８０内に突出するピン９０が８つ設けられている。そのため、誘電体窓４０を介してプラズマ処理空間Ｓへ伝搬される電磁波は、ピン９０を設けない場合と同様、電界の大きさが周方向に均一とならないものの、図７に示すように、電界が強い部分Ｐ１と電界が弱い部分Ｐ２が周方向に沿って交互に８回ずつ生じる。つまり、成膜装置１では、プラズマ処理空間Ｓの誘電体窓４０近傍すなわちシャワーヘッド電極３０の周縁部近傍において、プラズマ密度の高低領域出現回数が８回と多い。したがって、シャワーヘッド電極３０の周縁部近傍において、プラズマ密度が高い領域と低い領域との間の距離が小さい。それゆえ、シャワーヘッド電極３０と載置台２０と間の距離が大きいことによってシャワーヘッド電極３０の近傍で生じたプラズマが拡散されて載置台２０近傍に到達すると、載置台２０の近傍では、プラズマ密度の周方向のばらつきが低減し、当該プラズマ密度が面内で均一となる。よって、成膜装置１で形成した膜は、面内で均一な厚さとなる。
　２回対称の膜厚分布を改善するためには、プラズマ処理空間Ｓのシャワーヘッド電極３０の周縁部近傍において、プラズマ密度の高低領域出現回数が３回以上である必要があるため、ピン９０の本数は３本以上必要となる。
　一方、図２に示したような片流れの膜厚分布を改善するためには、ピン９０の本数は２本以上必要となる。以下、その理由を説明する。
　片流れの膜厚分布が生じるということは、ピン９０が設けられていない場合において、プラズマ処理空間Ｓのシャワーヘッド電極３０の周縁部近傍において、プラズマ密度の高低領域出現回数が１回である。そして、ピン９０を設けることで、プラズマ処理空間Ｓのシャワーヘッド電極３０の周縁部近傍におけるプラズマ密度の高低領域出現回数を２回以上とすれば、ピン９０を設けない場合に比べて、プラズマ密度が高い領域と低い領域との間の距離が小さくなり、載置台２０の近傍でプラズマ密度のばらつきが低減する。上記プラズマ密度の高低領域出現回数はピン９０の本数と一致する。したがって、図２に示したような片流れの膜厚分布を改善するためには、ピン９０の本数は２本以上必要となる。
　次に、成膜装置１におけるウェハ処理について説明する。
　まず、ウェハＷが、処理容器１０内に搬入され、載置台２０上に載置される。そして、処理容器１０内を排気装置（図示せず）により排気させ、プラズマ処理空間Ｓ内の圧力が所定の圧力に調整される。
　その後、プラズマ処理用ガスが、ガス供給源５０からシャワーヘッド電極３０のガス拡散室３１等を介してプラズマ処理空間Ｓに、所定の流量で供給される。プラズマ処理用ガスには、例えばＡｒガス等の励起用ガスや、ＳｉＮ膜形成用に窒素ガス及びシランガス等が含まれる。
　続いて、高周波電源７１からＶＨＦ帯の高周波電力がシャワーヘッド電極３０に供給される。そして、上記高周波電力に基づいて生じた電磁波が、導波路８０を伝搬し、誘電体窓４０を介してプラズマ処理空間Ｓに供給される。
　導波路８０に、平面視において周方向に沿って互いに離間した位置にピン９０が配置されているため、プラズマ処理空間Ｓに供給された電磁波により生成されたプラズマの密度は、前述のように、載置台２０の近傍において、ウェハＷの面内で均一となる。このように密度が面内均一のプラズマによってウェハＷが処理される。そのため、ウェハＷ上には、膜厚が面内で均一なＳｉＮ膜が形成される。また、形成されたＳｉＮ膜の屈折率もウェハ面内で均一となる。
　成膜が完了すると、ガス供給源５０からのプラズマ処理用ガスの供給と、高周波電源７１からのＶＨＦ帯の高周波電力の供給とが停止される。その後、ウェハＷが処理容器１０から搬出されて、ウェハ処理が完了する。
　以上のように、本実施形態において、成膜装置１は、ウェハＷが載置される載置台２０と、載置台２０に対向する位置に配設され、ＶＨＦ帯の高周波電力が供給されるシャワーヘッド電極３０と、上記高周波電力に基づいて生じた電磁波を載置台２０とシャワーヘッド電極３０との間に形成されるプラズマ処理空間Ｓへ伝搬する導波路８０と、を有する。そして、導波路８０のプラズマ処理空間Ｓ側の端部が、シャワーヘッド電極３０の外周を囲むように平面視環状に形成されており、また、導波路８０内に突出するようにピン９０が複数設けられており、ピン９０がそれぞれ、平面視において周方向に沿って互いに離間した位置に配置されている。そのため、ピン９０を設けないと図１のような２回対称の膜厚分布Ｄ１や図２のような片流れの膜厚分布Ｄ２が生じる場合（すなわち、ピン９０がないとこのような膜厚分布が生じる程に載置台２０近傍でプラズマ密度が面内不均一となる場合）、ピン９０によって、載置台２０近傍でのプラズマ密度をウェハ面内で均一にすることができる。このように、本実施形態によれば、３０ＭＨｚ以上の高周波電力に基づいて生成されたプラズマを用いて成膜処理を行う場合において、周方向等に関する成膜処理結果の均一性を改善することができる。
　また、本実施形態によれば、ウェハＷを回転させることなく、周方向等に関する成膜処理結果の均一性を改善することができる。したがって、ウェハＷの回転機構を設ける場合に比べて、低コスト化を図ることができる。また、回転機構の駆動により生じるパーティクルによって、処理結果が不良となることがない。
　なお、プラズマ処理結果が同心円状に偏る場合、プラズマ処理用ガスの量をウェハＷの内側と外側とで調節する等、処理条件を調整することで対処できるが、上述のような２回対称の周方向の偏りや、片流れの偏りは処理条件の調整では解消することは難しい。
　ピン９０は、平面視において、周方向に沿って等間隔で配置されていることが好ましい。周方向に沿って等間隔とすることにより、ピン９０の本数によらず、シャワーヘッド電極３０の周縁部近傍において、プラズマ密度が高い領域と低い領域との間の距離を小さくできるため、周方向等に関する成膜処理結果の均一性をより確実に改善することができる。
　なお、ピン９０を平面視において周方向に沿って等間隔で配置する場合、ピン９０を設ける間隔は厳密に等しい必要はなく、載置台２０の近傍においてプラズマ密度の周方向のばらつきが低減し成膜処理結果の均一性が改善できればよい。
　また、ピン９０は、全て突出量が等しい。言い換えると、ピン９０毎に突出量を調整する必要がない。このように、ピン９０毎に突出量を調整することなく、周方向等に関する成膜処理結果の均一性を改善することができる。
　続いて、ピン９０の効果について本発明者らが行ったシミュレーションの結果を説明する。図８は、シミュレーション条件を説明するための、プラズマ処理空間Ｓの上面図である。
　シミュレーションでは、図８に示すように、プラズマ処理空間Ｓは円筒状であるものとした。以下では、プラズマ処理空間Ｓを周方向に沿って４分割したときに、互いに対向する一方の領域Ａ１、Ａ３を低電子密度領域、互いに対向する他方の領域Ａ２、Ａ４を高電子密度領域という。
　シミュレーションの基本的な条件は、以下の通りである。
ウェハＷの直径：３００ｍｍ
シャワーヘッド電極３０の直径：３９０ｍｍ
処理容器１０の内径：４３０ｍｍ
シャワーヘッド電極３０に供給される高周波電力の周波数：２２０ＭＨｚ
プラズマ処理空間Ｓの圧力：１００Ｔｏｒｒ
ピン９０の突出量：１７ｍｍ
ピン９０の間隔：等間隔
　図９は、ピン９０の本数と、ピン９０の配設角度とが及ぼす影響についてのシミュレーション結果を示す図である。
　図において、横軸は、低電子密度領域Ａ１、Ａ３の電子密度（ＮＬ）に対する高電子密度領域Ａ２、Ａ４の電子密度（ＮＨ）の比の値（ＮＨ／ＮＬ）を示している。なお、上記電子密度の比の値（ＮＨ／ＮＬ）を１より大きくすることは、プラズマ密度を２回対称にすることを意味する。縦軸は、シャワーヘッド電極３０に高周波電力を供給したときの、低電子密度領域Ａ１、Ａ３に入力される電磁波のパワー（ＰＬ）に対する、高電子密度領域Ａ２、Ａ４に入力される電磁波のパワー（ＰＨ）の比の値（ＰＨ／ＰＬ）を示している。
　図に示すように、ピン９０が設けられていない場合（「Ｎｏ　Ｐｉｎ」の場合）、上記電子密度の比の値（ＮＨ／ＮＬ）が増加すると、上記電磁波のパワーの比（ＰＨ／ＰＬ）も増加する。つまり、ピン９０が設けられていない場合、プラズマ処理空間Ｓのプラズマ密度が不均一になっていくと、よりプラズマ密度が不均一になるように、言い換えると、プラズマ密度の不均一性が助長されるように、電磁波がプラズマ処理空間Ｓに供給される。
　一方、ピン９０を８本設けた場合（「８Ｐｉｎｓ」及び「８Ｐｉｎｓ　２２．５ｄｅｇ」の場合）、１２本設けた場合（「１２Ｐｉｎｓ」の場合）や３２本設けた場合（「３２Ｐｉｎｓ」の場合）、上記電子密度の比の値（ＮＨ／ＮＬ）が増加すると、上記電磁波のパワーの比（ＰＨ／ＰＬ）は減少する。つまり、ピン９０を８本以上設けた場合、プラズマ処理空間Ｓのプラズマ密度が不均一になっていくと、プラズマ密度が均一になるように、電磁波がプラズマ処理空間Ｓに供給される。
　ピン９０を４本設ける場合において、低電子密度領域Ａ１と高電子密度領域Ａ２との境界を０°としたときに、ピン９０の配設角度が（４５＋ｎ×９０）°（ｎは０～３の整数）である場合（「４Ｐｉｎｓ」の場合）、上記電子密度の比の値（ＮＨ／ＮＬ）が増加すると、上記電磁波のパワーの比（ＰＨ／ＰＬ）は減少する。しかし、ピン９０を４本設ける場合において、上記「４Ｐｉｎｓ」の状態からピン９０の配設角度を４５°ずらした場合（「４Ｐｉｎｓ　４５ｄｅｇ」の場合）、すなわち、低電子密度領域と高電子密度領域との境界にピン９０を設けた場合、ピン９０を設けない場合と同様、上記電子密度の比の値（ＮＨ／ＮＬ）が増加すると、上記電磁波のパワーの比（ＰＨ／ＰＬ）も増加する。
　それに対し、ピン９０を８本設ける場合において、ピン９０の配設角度が（２２．５＋ｍ×４５）°（ｍは０～７の整数）である場合（「８Ｐｉｎｓ」の場合）、上記電子密度の比の値（ＮＨ／ＮＬ）が増加すると、上記電磁波のパワーの比（ＰＨ／ＰＬ）は減少する。そして、ピン９０を８本設ける場合、上記「８Ｐｉｎｓ」の状態からピン９０の配設角度を２２．５°ずらした場合（「８Ｐｉｎｓ　２２．５ｄｅｇ」の場合）、すなわち、低電子密度領域と高電子密度領域との境界にもピン９０を設けた場合でも、上記電子密度の比の値（ＮＨ／ＮＬ）が増加すると、上記電磁波のパワーの比（ＰＨ／ＰＬ）が減少する。
　つまり、ピン９０の本数を８本以上とすることにより、ピン９０の配設角度によらず、確実にプラズマ処理空間Ｓのプラズマ密度の不均一性を改善することができる。
　図１０は、ピン９０の配設位置での電界分布のシミュレーション結果を示す図である。
　図に示されているのは、上述の電子密度の比の値（ＮＨ／ＮＬ）が１．３、ピン９０の本数が８本であるときの結果である。図では、色の濃淡で電界の強弱を示しており、電界が強い部分程、濃色で示されている。
　ピン９０を設けることで、図に示すように、ピン９０の先端付近に電界が集中する。
　図１１は、プラズマ処理空間Ｓからピン９０までの経路長が及ぼす影響についてのシミュレーション結果を示す図である。
　図に示されているのは、上述の電子密度の比の値（ＮＨ／ＮＬ）が１．３、ピン９０の本数が８本であるときの結果である。
　図において、横軸は、プラズマ処理空間Ｓからピン９０までの経路長Ｌ（図４参照）を示す。上記経路長は、具体的には、誘電体窓４０のプラズマ処理空間Ｓ側の端面からピン９０までの長さであり、より具体的は、誘電体窓４０のプラズマ処理空間Ｓ側の端面からピン９０までの導波路の中心線を結んだ長さである。図において、縦軸は、上述の電磁波のパワーの比の値（ＰＨ／ＰＬ）を示している。
　図に示すように、上記経路長Ｌが４０ｍｍ以下であれば、上記電磁波のパワーの比の値（ＰＨ／ＰＬ）が１未満である。つまり、上記経路長Ｌが４０ｍｍ以下であれば、ピン９０を設けることで、プラズマ処理空間Ｓのプラズマ密度の不均一性を改善することができる。
　また、経路長Ｌが５０ｍｍであれば、上記電磁波のパワーの比の値（ＰＨ／ＰＬ）が１．０４である。この結果は、一見、上記経路長Ｌが５０ｍｍであるとプラズマ処理空間Ｓのプラズマ密度の偏りが助長され好ましくないように思われるが、このシミュレーション結果は、極端な環境についての結果である。したがって、上記電磁波のパワーの比の値（ＰＨ／ＰＬ）が１．０４程度であれば、すなわち、上記経路長Ｌが５０ｍｍであれば、実環境では、プラズマ密度分布の偏りを解消する方向に働くと考えられる。
　ゆえに、上記経路長Ｌは５０ｍｍ以下であるとよい。
　上記経路長Ｌが大きくなると、ピン９０を設けても、プラズマ密度分布の偏りを解消することができない理由は例えば以下の通りである。上記経路長Ｌが大きくなると、電磁波は誘電体窓４０まで伝搬する間に、ピン９０による影響が弱まり、ピン９０による電界分布が弱くなってしまう。したがって、上記経路等が大きくなると、誘電体窓４０を介してプラズマ処理空間Ｓへ伝搬される電磁波は、ピン９０を設けない場合と同様になってしまう。そのため、ピン９０を設けても、プラズマ密度分布の偏りを解消することができない、と考えられる。
　以上の例では、ピン９０は、接地電位すなわちコールド側となる容器本体１１に電気的に接続され当該容器本体１１から突出するものとした。これに代えて、ピンが、高周波電力が供給されホット側となるシャワーヘッド電極３０に電気的に接続され当該シャワーヘッド電極３０側から導波路８０へ突出するようにしてもよい。なお、いずれの場合も、ピンは、当該ピンを介して容器本体１１とシャワーヘッド電極３０との電気的な短絡が生じないように、且つ、容器本体１１とシャワーヘッド電極との間で放電が生じないように、設けられる。
　また、ピンは、容器本体１１及びシャワーヘッド電極３０のいずれにも電気的に接続されず、電気的にフローティング状態としてもよい。
　さらに、以上の例では、ピンは、導電性材料で形成されるものとしたが、誘電体材料で形成されていてもよい。
　ただし、電界集中を確実に生じさせるためには、ピンは、導電性材料で形成され、電気的にフローティング状態とせず、コールド側となる容器本体１１またはホット側となるシャワーヘッド電極３０に電気的に接続することが好ましい。
　また、以上の例では、ピン９０は、導波路８０の第３導波路８３に設けられていた。これに代えて、ピンを導波路８０の第２導波路８２や第４導波路８４に設けてもよい。
　以上の例では、ピンの突出長さは固定されていた。これに代えて、横孔１１ｂの内周面に雌ネジを形成し且つピン９０の外周面に雄ネジを形成する等して、ピン９０の突出長さを調節可能としてもよい。また、このようにピン９０の突出長さを調節可能として、必要な場合のみ、ピン９０を突出させるようにしてもよい。
　以上では、成膜装置を例に説明したが、本開示にかかる技術は、成膜処理以外の処理を行うプラズマ処理装置にも適用することができる。例えば、プラズマ処理として、エッチング処理やドーピング処理を行うプラズマ処理装置にも適用することができる。
　今回開示された実施形態はすべての点で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、様々な形態で省略、置換、変更されてもよい。
１　成膜装置
２０　載置台
３０　シャワーヘッド電極
８０　導波路
９０　ピン
Ｓ　プラズマ処理空間
Ｗ　ウェハ

Claims (7)

  1. 処理対象体をプラズマ処理するプラズマ処理装置であって、
    前記処理対象体が載置される載置台と、
    前記載置台に対向する位置に配設され、３０ＭＨｚ以上の高周波電力が供給される電極と、
    前記高周波電力に基づいて生じた電磁波を前記載置台と前記電極との間に形成されるプラズマ処理空間へ伝搬する導波路と、を有し、
    前記導波路は、
    　前記プラズマ処理空間側の端部が、前記電極の外周を囲むように平面視環状に形成され、
    　当該導波路内に突出するようにピンが複数設けられ、
    　前記ピンはそれぞれ、平面視において周方向に沿って互いに離間した位置に配置されている、プラズマ処理装置。
  2. 前記ピンは、平面視において、周方向に沿って等間隔で配置されている、請求項１に記載のプラズマ処理装置。
  3. 前記ピンは全て突出量が等しい、請求項１または２に記載のプラズマ処理装置。
  4. 前記ピンは、導電性材料で形成されている、請求項１～３のいずれか１項に記載のプラズマ処理装置。
  5. 前記ピンの本数は、８本以上である、請求項１～４のいずれか１項に記載のプラズマ処理装置。
  6. 前記プラズマ処理空間から前記ピンまでの経路長は５０ｍｍ以下である、請求項１～５のいずれか１項に記載のプラズマ処理装置。
  7. プラズマ処理装置を用いて処理対象体をプラズマ処理するプラズマ処理方法であって、
    前記プラズマ処理装置が、
    　前記処理対象体が載置される載置台と、
    　前記載置台に対向する位置に配設され、３０ＭＨｚ以上の高周波電力が供給される電極と、
    　前記高周波電力に基づいて生じた電磁波を前記載置台と前記電極との間に形成されるプラズマ処理空間へ伝搬する導波路と、を有し、
    　前記導波路のプラズマ処理空間側の端部が、前記電極の外周を囲むように平面視環状に形成され、
    　前記導波路内に突出するようにピンが複数設けられ、
    　前記ピンがそれぞれ、平面視において周方向に沿って互いに離間した位置に配置されており、
    当該プラズマ処理方法は、前記電極に前記高周波電力を供給し、当該高周波電力に基づいて生じた電磁波を前記ピンが設けられた前記導波路を介して、前記プラズマ処理空間へ伝搬し、当該プラズマ処理空間内にプラズマを生成させる工程と、
    生成されたプラズマを用いて前記載置台上の前記処理対象体をプラズマ処理する工程と、を有する、プラズマ処理方法。
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