特開 2023-20600 プラズマ処理装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023020600

(43)【公開日】2023-02-09

(54)【発明の名称】プラズマ処理装置

(51)【国際特許分類】

   H05H 1/46 20060101AFI20230202BHJP

   H01L 21/3065 20060101ALI20230202BHJP

   H01L 21/31 20060101ALI20230202BHJP

【ＦＩ】

H05H1/46 B

H05H1/46 M

H01L21/302 101C

H01L21/31 C

【審査請求】未請求

【請求項の数】13

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021126055

(22)【出願日】2021-07-30

(71)【出願人】

【識別番号】000219967

【氏名又は名称】東京エレクトロン株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100107766

【弁理士】

【氏名又は名称】伊東 忠重

(74)【代理人】

【識別番号】100070150

【弁理士】

【氏名又は名称】伊東 忠彦

(72)【発明者】

【氏名】池田 太郎

(72)【発明者】

【氏名】川上 聡

(72)【発明者】

【氏名】加藤 健太

【テーマコード（参考）】

2G084

5F004

5F045

【Ｆターム（参考）】

2G084AA02

2G084AA04

2G084AA05

2G084BB06

2G084BB14

2G084BB29

2G084CC05

2G084CC06

2G084CC14

2G084CC33

2G084DD02

2G084DD05

2G084DD23

2G084DD24

2G084DD42

2G084DD55

2G084DD62

2G084FF11

2G084FF14

2G084FF15

2G084FF39

5F004AA01

5F004BB13

5F004BB18

5F004BB23

5F004BC03

5F004DA04

5F004DA17

5F004DA23

5F004DA25

5F045AA08

5F045AC01

5F045AC12

5F045AC15

5F045AC16

5F045BB02

5F045DP03

5F045EC07

5F045EE01

5F045EF05

5F045EH03

5F045EH11

5F045EH20

(57)【要約】      （修正有）

【課題】プラズマプロセスの均一性の向上を図る。
【解決手段】内部に基板支持部１８を有する処理容器１０と、処理容器内に第１ガスの活性種を供給するシャワーヘッド２０と、第１ガスの活性種をシャワーヘッドに供給するように構成された第１解離空間３０ｂと、第１解離空間へＶＨＦ帯以上の電磁波を供給するように構成された共振器と、を有し、共振器は、共振器の筐体を構成する筒状体４０と、筒状体の内部を通り、筒状体の中心軸方向に沿って設けられ、端部に複数のガス孔を有し、複数のガス孔を介して第１解離空間へ第１ガスをシャワー状に供給するように構成されたガス配管２２と、中央部にてガス配管の端部が貫通し、ガス配管と筒状体との間を封止し、電磁波を第１解離空間へ透過させるように構成された誘電体窓２１と、を有する、プラズマ処理装置１が提供される。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

内部に基板支持部を有する処理容器と、
前記処理容器内に第１ガスの活性種を供給するシャワーヘッドと、
前記第１ガスの活性種を前記シャワーヘッドに供給するように構成された第１解離空間と、
前記第１解離空間へＶＨＦ帯以上の電磁波を供給するように構成された共振器と、を有し、
前記共振器は、
前記共振器の筐体を構成する筒状体と、
前記筒状体の内部を通り、前記筒状体の中心軸方向に沿って設けられ、端部に複数のガス孔を有し、前記複数のガス孔を介して前記第１解離空間へ前記第１ガスをシャワー状に供給するように構成されたガス配管と、
中央部にて前記ガス配管の端部が貫通し、前記ガス配管と前記筒状体との間を封止し、前記電磁波を前記第１解離空間へ透過させるように構成された誘電体窓と、を有する、プラズマ処理装置。

【請求項2】

前記電磁波は、ＵＨＦ帯以上である、
請求項１に記載のプラズマ処理装置。

【請求項3】

前記シャワーヘッド及び前記基板支持部の少なくともいずれかに高周波を印加し、前記処理容器内に供給した前記第１ガスの活性種を含むガスのプラズマを生成する、
請求項１又は２に記載のプラズマ処理装置。

【請求項4】

前記誘電体窓の前記第１解離空間に露出する面は環状の凹部を有する、
請求項１～３のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。

【請求項5】

前記第１解離空間は円筒状であり、前記第1解離空間の直径は前記電磁波の表面波の波長λgの１／６よりも小さい、
請求項１～４のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。

【請求項6】

前記複数のガス孔の直径は、前記電磁波の表面波の波長λｇの１／１６以下である、
請求項１～５のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。

【請求項7】

前記ガス配管は、前記共振器内を貫通する、
請求項１～６のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。

【請求項8】

前記筒状体に設けられ、その側壁から前記第１解離空間に第２ガスを供給するサイドガス配管を有する、
請求項１～７のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。

【請求項9】

前記共振器の内部は、大気圧であり、前記第１解離空間は、真空圧である、
請求項１～８のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。

【請求項10】

前記第１解離空間は、前記共振器と前記シャワーヘッドとの間に設けられ、プラズマを生成するための空間である、
請求項１～９のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。

【請求項11】

前記共振器の少なくとも一部には、誘電体が埋め込まれている、
請求項１～１０のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。

【請求項12】

前記共振器の上端面は、前記電磁波の電界が最小になるように構成され、前記第１ガスを供給する前記ガス配管が貫通する、
請求項１～１１のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。

【請求項13】

前記誘電体窓の上面は、前記電磁波の電界が最大になるように構成される、
請求項１～１２のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、プラズマ処理装置に関する。

【背景技術】

【0002】

特許文献１は、互いに平行な高周波印加電極とプラズマ分離用の中間メッシュプレート電極とで挟まれたプラズマ発生室と、プラズマ発生室外に位置し、中間メッシュプレート電極と平行に基板を設置する対向電極と、を有するプラズマＣＶＤ装置を提案する。特許文献１では、中間メッシュプレート電極が対向電極側および高周波印加電極側の双方向に移動可能であり、かつ対向電極に高周波が印加可能である。

【0003】

特許文献２は、ＶＨＦ波を導入し、ＶＨＦ波によりガスからプラズマを生成するプラズマ処理装置を提案する。特許文献２では、上部電極及び下部電極は、それぞれ互いに対向する面に凹部を備え、上部電極及び下部電極それぞれの凹部内には、上部誘電体及び下部誘電体がそれぞれ設けられ、上部誘電体と下部誘電体との間の空間の横方向端部には、ＶＨＦ波の導入部が設けられている。

【0004】

特許文献３は、マイクロ波を導入し、マイクロ波によりガスからプラズマを生成するプラズマ処理装置を提案する。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開平１１－１６２９５７号公報

【特許文献2】特開２０２０－９２０３３号公報

【特許文献3】特開平１１－２０４２９５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

本開示は、プラズマプロセスの均一性の向上を図ることができる技術を提供する。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本開示の一の態様によれば、内部に基板支持部を有する処理容器と、前記処理容器内に第１ガスの活性種を供給するシャワーヘッドと、前記第１ガスの活性種を前記シャワーヘッドに供給するように構成された第１解離空間と、前記第１解離空間へＶＨＦ帯以上の電磁波を供給するように構成された共振器と、を有し、前記共振器は、前記共振器の筐体を構成する筒状体と、前記筒状体の内部を通り、前記筒状体の中心軸方向に沿って設けられ、端部に複数のガス孔を有し、前記複数のガス孔を介して前記第１解離空間へ前記第１ガスをシャワー状に供給するように構成されたガス配管と、中央部にて前記ガス配管の端部が貫通し、前記ガス配管と前記筒状体との間を封止し、前記電磁波を前記第１解離空間へ透過させるように構成された誘電体窓と、を有する、プラズマ処理装置が提供される。

【発明の効果】

【0008】

一の側面によれば、プラズマプロセスの均一性の向上を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】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2】実施形態に係る共振部の一例を示す断面模式図。

【図3】図１のＡ－Ａ線に沿って切断した断面図。

【図4】プラズマ密度の一例を示す図。

【発明を実施するための形態】

【0010】

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。

【0011】

［プラズマ処理装置］
以下、図面を参照して実施形態に係るプラズマ処理装置について詳細に説明する。プラズマ処理装置の性能を高めるための一手段として周波数を高くすることが考えられ、この場合、一般的な高周波の周波数（例えば１３．５６ＭＨｚ）よりも高い周波数のＶＨＦ帯以上の電磁波の使用が考えられる。例えばＶＨＦ帯の電磁波の周波数は、３０ＭＨｚ～３００ＭＨｚであり、ＵＨＦ帯の電磁波の周波数は、３００ＭＨｚ～３ＧＨｚである。ＶＨＦ帯及びＵＨＦ帯の電磁波は一般的な高周波と比べて周波数が高いため、通常の高周波では解離し難いガスの解離を高解離にするように制御でき、プラズマ処理装置１の性能を高めることができる。しかし、ＶＨＦ帯及びＵＨＦ帯の電磁波をチャンバ内に印加すると、これらの電磁波の波長は通常の高周波よりも短くなるためにプラズマの均一性が悪くなり、成膜、エッチング等のプロセスが不均一になる場合がある。

【0012】

以下に説明するプラズマ処理装置では、図１に示すように、チャンバ１０内のプロセス空間である第２解離空間３０ｅとは別にガス活性化部２に第１解離空間３０ｂを設ける。第１解離空間３０ｂ及び第２解離空間３０ｅは、いずれもプラズマ生成空間である。これにより、第１解離空間３０ｂに供給された第１ガスをＶＨＦ帯以上の電磁波を用いて解離し、第１ガスの活性種をチャンバ１０内に供給し、第１ガスの活性種を第２解離空間３０ｅで更にプラズマ化する。これにより、ＶＨＦ帯及びＵＨＦ帯の電磁波を使用する場合においても、ガス活性化部２を使用することでプラズマの均一性を図ることができる。チャンバ１０は処理容器の一例である。

【0013】

実施形態に係るプラズマ処理装置１について、図１～図３を参照して説明する。図１は、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である。図２は、実施形態に係る共振部の一例を示す断面模式図である。図３は、図１のＡ－Ａ線に沿って切断した断面図である。

【0014】

図１に示すプラズマ処理装置１は、チャンバ１０及びガス活性化部２を備えている。プラズマ処理装置１は、ガス活性化部２内においてＶＨＦ帯以上の電磁波によりガスからプラズマを生成するように構成されている。また、チャンバ１０内においてＶＨＦ帯以上の電磁波の周波数よりも低い周波数の高周波によりガスからプラズマを生成するように構成されている。電磁波は、ＶＨＦ帯以上であればよいが、ＵＨＦ帯以上であることが好ましく、電磁波の上限がＵＨＦ帯の上限と同じであってもよい。チャンバ１０は、その中心軸線として軸線ＡＸを有している。軸線ＡＸは、鉛直方向に延びる軸線である。基板Ｗはチャンバ１０内で処理される。

【0015】

一実施形態においては、チャンバ１０は、チャンバ本体１２を含んでいてもよい。チャンバ本体１２は、筒状体を有しており、チャンバ１０の側壁及び底壁を提供し、上部が開口する。チャンバ本体１２は、アルミニウムのような金属から形成されている。チャンバ本体１２は、接地されている。

【0016】

チャンバ本体１２の側壁は、通路１２ｐを提供している。基板Ｗは、チャンバ１０の内部と外部との間で搬送されるときに、通路１２ｐを通過する。通路１２ｐは、ゲートバルブ１２ｖによって開閉可能である。ゲートバルブ１２ｖは、チャンバ本体１２の側壁に沿って設けられている。

【0017】

チャンバ１０は、上壁１４を更に含んでもよい。上壁１４は、アルミニウムのような金属から形成されている。上壁１４は円盤状であり、チャンバ本体１２の上部の開口を閉じている。上壁１４は、チャンバ本体１２と共に接地されている。

【0018】

チャンバ１０の底壁は、排気口１６ａを提供している。排気口１６ａは、排気装置１６に接続されている。排気装置１６は、自動圧力制御弁のような圧力制御器及びターボ分子ポンプのような真空ポンプを含んでいる。

【0019】

プラズマ処理装置１は、基板支持部１８を更に備える。基板支持部１８は、チャンバ１０内に設けられている。基板支持部１８は、その上に載置される基板Ｗを支持するように構成されている。基板Ｗは、略水平な状態で基板支持部１８上に載置される。基板支持部１８は、支持部材１９によって支持されていてもよい。支持部材１９は、チャンバ１０の底部から上方に延びている。基板支持部１８及び支持部材１９は、窒化アルミニウム等の誘電体から形成され得る。

【0020】

プラズマ処理装置１は、シャワーヘッド２０を更に備える。シャワーヘッド２０は、アルミニウムのような金属から形成されている。シャワーヘッド２０は、略円盤形状を有しており、中空構造を有する。シャワーヘッド２０は、その中心軸線として軸線ＡＸを共有している。シャワーヘッド２０は、基板支持部１８の上方、且つ、上壁１４の下部に設けられている。シャワーヘッド２０は、チャンバ１０の内部空間を画成する天部を構成し、その上部の上に上壁１４が設けられている。

【0021】

シャワーヘッド２０は、その中に拡散室３０ｄを提供している。シャワーヘッド２０には、拡散室３０ｄから垂直方向に貫通する複数のガス孔２０ｉが形成されている。複数のガス孔２０ｉは、シャワーヘッド２０の下面に開口し、チャンバ１０内のシャワーヘッド２０と基板支持部１８との間の第２解離空間３０ｅに向けてガスを導入する。

【0022】

これにより、シャワーヘッド２０は、後述する第１ガスの活性種を拡散室３０ｄから複数のガス孔２０ｉに通して第２解離空間３０ｅに導入する。また、シャワーヘッド２０は、後述する第２ガスを拡散室３０ｄから複数のガス孔２０ｉに通して第２解離空間３０ｅに導入する。

【0023】

なお、シャワーヘッド２０の各ガス孔２０ｉの直径は１ｍｍ程度にすることが好ましい。１ｍｍ以下の直径では、ガス孔２０ｉ内での第１ガスの活性種同士の衝突頻度が高くなる。一方、各ガス孔２０ｉの直径は１ｍｍ程度にすることにより第１ガスの活性種が、第２解離空間３０ｅに到達する前に第１ガスに戻る確率を低減させることができる。

【0024】

シャワーヘッド２０の外周は、セラミックスのような誘電体の部材３３で覆われている。基板支持部１８の外周は、セラミックスのような誘電体の部材３４で覆われている。シャワーヘッド２０に高周波を印可しない場合、誘電体の部材３３はなくてもよい。ただし、基板支持部１８の対向電極として機能させるシャワーヘッド２０の領域を確定するために誘電体の部材３３は配置した方がよい。また、電極のアノードとカソードとの比をなるべく均等にするためにも誘電体の部材３３は配置した方がよい。

【0025】

基板支持部１８には、整合器６１を介して高周波電源６０が接続されている。整合器６１は、インピーダンス整合回路を有する。インピーダンス整合回路は、高周波電源６０の負荷のインピーダンスを、高周波電源６０の出力インピーダンスに整合させるように構成される。高周波電源６０から供給される高周波の周波数は、電源５０から供給されるＶＨＦ波の周波数よりも低く、６０ＭＨｚ以下の周波数である。高周波の周波数の一例としては、１３．５６ＭＨｚが挙げられる。なお、高周波電源６０は、シャワーヘッド２０に高周波を印加してもよい。

【0026】

制御部（制御装置）９０は、プロセッサ９１、メモリ９２を有するコンピュータであり得る。制御部９０は、演算部、記憶部、入力装置、表示装置、信号の入出力インターフェイス等を備える。制御部９０は、ガス活性化部２を含むプラズマ処理装置１の各部を制御する。制御部９０では、入力装置を用いて、オペレータ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ことができる。また、制御部９０では、表示装置により、プラズマ処理装置１の稼働状況を可視化して表示することができる。さらに、制御部９０のメモリ９２には、制御プログラム及びレシピデータが格納されている。制御プログラムは、プラズマ処理装置１で各種処理を実行するために、制御部９０のプロセッサ９１によって実行される。プロセッサ９１が、制御プログラムを実行し、レシピデータに従ってプラズマ処理装置１の各部を制御することにより、種々のプロセス、例えばプラズマ処理方法がプラズマ処理装置１で実行される。

【0027】

ガス活性化部２は、共振器１００及び第１解離空間３０ｂを有する。

【0028】

（共振器：筒状体）
共振器１００は共振器１００の筐体を構成する筒状体４０を有する。筒状体４０は、アルミニウムのような金属から形成され、中空構造になっている。筒状体４０は、その中心軸線として軸線ＡＸを共有している。ガス活性化部２の下端は、チャンバ１０の上壁１４の上の絶縁部材３５に固定されている。絶縁部材３５は窒化アルミニウム等のセラミックスで形成され、中空構造を有し、上壁１４の中央部に形成された穴部に挿入され、シャワーヘッド２０の上部中央を貫通する貫通口周辺の上面に当接し、拡散室３０ｄに連通する。これにより、ガス活性化部２とチャンバ１０とを絶縁する。

【0029】

筒状体４０の上端は、筒状体４０の外径と同一の直径を有する円盤状のカバー導体４４により閉塞されている。カバー導体４４は、アルミニウムのような金属から形成されている。

【0030】

（共振器：ガス配管）
共振器１００は、ガス配管２２を更に備える。ガス配管２２は、筒状体の管である。ガス配管２２は、筒状体４０の内部を通り、筒状体４０の中心軸方向に沿って設けられ、端部に複数のガス孔２３ａを有する。ガス配管２２は、鉛直部２２ａ及び鍔部２２ｆを有する。鉛直部２２ａ及び鍔部２２ｆは、アルミニウムのような金属から形成されている。鉛直部２２ａは、カバー導体４４を貫通し、共振器１００の中央に配置されている。つまり、鉛直部２２ａと筒状体４０とは、両方の中心軸線として軸線ＡＸを共有し、鉛直部２２ａが筒状体４０により包まれるように配置されている。図２および図１のＡ－Ａ線に沿って切断した断面図である図３を参照すると、鍔部２２ｆは、電磁波の供給路３６の内導体３６ａと同じ高さで鉛直部２２ａの側面の周りに鉛直部２２ａに垂直に設けられた鍔状の環状部材である。供給路３６は、内導体３６ａと外導体３６ｂとを有する。供給路３６の外導体３６ｂは、筒状体４０の側壁に連結する。内導体３６ａは鍔部２２ｆに連結する。

【0031】

図１～図３を参照すると、ガス配管２２（鉛直部２２ａ）の端部は複数のガス孔２３ａを有する小型シャワーヘッド２３を構成する。小型シャワーヘッド２３は、複数のガス孔２３ａを介して第１解離空間３０ｂへ第１ガスをシャワー状に供給するように構成される。図３では、ガス孔２３ａは中央に一つ、周辺に６つ、等間隔に配置されているが、ガス孔２３ａの数、配置についてはこれに限らない。

【0032】

プラズマ中のＵＨＦ波の表面波の波長は４ｍｍ～１０ｍｍ程度であるため、複数のガス孔２３ａの直径は実効波長λｇの１／１６以下であり、例えば、０．６ｍｍ以下である。これにより、第１解離空間３０ｂにおいて形成されたプラズマがガス孔２３ａからガス配管２２内に戻り、不要なエネルギーを消費することを回避できる。

【0033】

図１のガス配管２２の下端の小型シャワーヘッド２３は、シャワーヘッド２０の上部中央のガス導入口３３ａに対向して設けられている。ガス導入口３３ａは、拡散室３０ｄに接続している。

【0034】

（ガス源）
実施形態において、プラズマ処理装置１は、Ｎ_２ガス源２４ａ、ＮＦ_３ガス源２４ｂ、ＳｉＨ_４ガス源２５を有する。Ｎ_２ガス源２４ａは、ガス配管２２の上部に接続されている。Ｎ_２ガス源２４ａは、還元ガスのガス源である。Ｎ_２ガスは、第１ガスの一例である。ＮＦ_３ガス源２４ｂは、ガス配管２２の上部に接続されている。ＮＦ_３ガス源２４ｂは、クリーニングガスのガス源である。クリーニングガスは、第１ガスの一例である。クリーニングガスは、ハロゲン含有ガスを含んでいてもよい。ハロゲン含有ガスは、例えばＮＦ_３及び／又はＣｌ_２を含む。本実施形態では、クリーニングガスはＮＦ_３ガスであるが、他のガスを更に含んでもよい。クリーニングガスは、Ａｒのような希ガスを更に含んでもよい。Ｎ_２ガス源２４ａは、バルブ２９ａを介してガス配管２２に接続されている。ＮＦ_３ガス源２４ｂは、バルブ２９ｂを介してガス配管２２に接続されている。

【0035】

ＳｉＨ_４ガス源２５は、第１解離空間３０ｂに第２ガスを直接供給する成膜ガス等の処理ガスのガス源である。サイドガス配管２８は筒状体４０の側壁を貫通する。ＳｉＨ_４ガス源２５は、サイドガス配管２８を介して筒状体４０の側壁に設けられたガス孔２８ａから第１解離空間３０ｂに第２ガスを供給する。ＳｉＨ_４ガスは、第２ガスの一例である。第２ガスが成膜ガスである場合、シリコン含有ガスを含んでいてもよい。シリコン含有ガスは、例えばシランガス（ＳｉＨ_４）に他のガスを更に含んでいてもよい。例えば、成膜ガスは、ＮＨ_３ガス、Ｎ_２ガス、Ａｒのような希ガス等を更に含んでいてもよい。ＳｉＨ_４ガス等の成膜ガスは、過度に解離させたくないガスである。よって、第２ガスはシャワーヘッド２０へ直接供給してもよい。一方、還元ガス（Ｎ_２ガス）、ＮＦ_３ガス等の第１ガスは、第１解離空間３０ｂにおいて充分に解離させて第１ガスの活性種をチャンバ１０内に供給させたいガスである。よって、第１ガスはガス配管２２の上部からガス流路２９及び小型シャワーヘッド２３を介して第１解離空間３０ｂに供給する。これにより、第１ガスを高解離させることができる。その理由については後述する。

【0036】

（第１解離空間）
通常、真空空間では、筒状体４０の径方向に電磁波の節ができないためには、筒状体４０の内壁の直径Ｒを真空中の電磁波の表面波の実効波長λｇの１／２以下にする必要がある。これに対して、電磁波（ＶＨＦ波、ＵＨＦ波）はプラズマ中では実効波長λｇの１／３程度に短縮される。第１解離空間３０ｂはプラズマ生成空間であるため、第１解離空間３０ｂにおいて径方向に電磁波の節ができないためには、筒状体４０の内壁の直径Ｒを（λｇ／２）の１／３、つまり、λｇ／６よりも小さくする。これにより、腹又は節の影響を無くした上で電磁波のエネルギーを効率的に伝達できる。

【0037】

第１解離空間３０ｂにおいて電磁波の電界により第１ガスのプラズマが生成される。成膜時には、Ｎ_２ガスとＳｉＨ_４ガスが第１解離空間３０ｂに供給される。Ｎ_２ガスは小型シャワーヘッド２３の直下にて高い電磁波の電界エネルギーにて分解され、第１ガスのプラズマが生成される。ＳｉＨ_４ガスは直接第１解離空間３０ｂの電磁波の電界エネルギーが低い領域に供給される。これにより、Ｎ_２ガスと比較してガスの解離を抑制することができる。なお、成膜時には、バルブ２９ｂは閉じ、バルブ２９ａを開くことで、還元ガスであるＮ_２ガスをガス配管２２に供給し、第２ガスを直接第１解離空間３０ｂに供給する。クリーニング時には、バルブ２９ａは閉じ、バルブ２９ｂを開くことで、クリーニングガスであるＮＦ_３ガスをガス配管２２に供給する。クリーニング時には、第２ガスは供給しない。

【0038】

（共振器：誘電体窓）
共振器１００は、更にセラミックス等から形成される誘電体窓２１を有する。誘電体窓２１は、中央部に穴部がある環状であり、その穴部にガス配管２２の端部が貫通する。誘電体窓２１の内周はガス配管２２の端部側壁に隣接し、外周は筒状体４０の内壁に隣接する。これにより、誘電体窓２１は、ガス配管２２と筒状体４０との間を封止し、共振器１００と第１解離空間３０ｂとを仕切るとともに、電磁波を第１解離空間３０ｂへ透過させるように構成される。

【0039】

誘電体窓２１の上面内側であってガス配管２２の側壁にはＯリング等のシール部材３８が設けられ、誘電体窓２１の下面外側であって筒状体４０の側壁にはＯリング等のシール部材３９が設けられる。これにより、真空空間である第１解離空間３０ｂを大気空間である共振器１００内の空間２６から封止し、真空空間の第１解離空間３０ｂの気密を保持する。

【0040】

（共振器：内部構造及び電源との接続構造）
共振器１００の供給路３６の基端は、整合器４１を介して電源５０に接続されている。電源５０は、電磁波の発生器であり、ＶＨＦ帯以上の電磁波を供給するように構成されている。整合器４１は、インピーダンス整合回路を有する。インピーダンス整合回路は、電源５０の負荷のインピーダンスを、電源５０の出力インピーダンスに整合させるように構成される。インピーダンス整合回路は、可変インピーダンスを有する。インピーダンス整合回路は、例えばπ型の回路である。電磁波の供給路３６からガス活性化部２に導入された電磁波は、共振器１００にて共振し、共振器１００の下方の第１解離空間３０ｂに高いエネルギー効率で供給される。

【0041】

共振器１００の内部の少なくとも一部には、誘電体３１が埋め込まれている。本実施形態では、共振器１００の内部は、共振器１００内の空間２６を除き誘電体３１で充填されている。具体的には、誘電体３１は、共振器１００の上部のカバー導体４４の直下から鍔部２２ｆまでと、電磁波の供給路３６の内導体３６ａ及び外導体３６ｂの間に充填されている。誘電体３１は、電磁波の波長を短縮するために設けられている。共振器１００は、第１解離空間へＶＨＦ帯以上の電磁波を供給するように構成される。誘電体３１は、例えばポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ：Poly Tetra Fluoro Ethylene）である。

【0042】

誘電体３１の下端は、鍔部２２ｆの下面の鉛直方向における位置と同一であってもよい。加えて、空間２６も誘電体３１で充填してもよい。

【0043】

［ガス活性化部の詳細］
図１に加え、図２、図３を参照してガス活性化部２の構成について更に説明する。鍔部２２ｆの下方には、共振器１００と第１解離空間３０ｂとの間を仕切る誘電体窓２１が設けられている。誘電体窓２１の下は第１解離空間３０ｂである。誘電体窓２１よりも上の空間は大気圧であり、誘電体窓２１よりも下の空間は真空圧である。つまり、共振器１００内は大気圧であり、第１解離空間３０ｂ内は真空圧である。

【0044】

第１解離空間３０ｂの横断面視形状は筒状体であり、第１解離空間３０ｂは、共振器１００の内径とほぼ同一の直径を有する。

【0045】

図２の矢印に示すように、電磁波（例えば、５００ＭＨｚのＵＨＦ波）は、供給路３６から共振器１００内を伝搬する。伝搬中の電磁波は共振器１００内で共振し、誘電体窓２１を透過して第１解離空間３０ｂまで伝搬し、誘電体窓２１の直下でガスを解離するエネルギーとして機能し、第１解離空間３０ｂに供給されたガスのプラズマを生成させる。

【0046】

図２中に電界Ｅを示す。筒状体４０は、共振器１００内のカバー導体４４の下面において電磁波の電界Ｅは最小（０［Ｖ］）になり、誘電体窓２１の上面において最大（Ｍａｘ［Ｖ］）になるように構成される。つまり、カバー導体４４の下面において電磁波は節となり、誘電体窓２１の上面において電磁波は腹となる。このようにして誘電体窓２１の上面において電界を最大にすることで第１解離空間３０ｂの内部でのプラズマ着火性を向上させ、また、エネルギー効率が高くなる状態を作り出している。

【0047】

つまり、誘電体窓２１の上面において電界Ｅが最大になるため、共振器１００内で共振した電磁波は、高いエネルギー効率で第１解離空間３０ｂに供給される。小型シャワーヘッド２３は、ガス配管２２の中心部の先端にシャワー状に形成され、小型シャワーヘッド２３のガス孔２３ａの出口で電子密度の高いプラズマＰを生成できるように構成されている。第１ガスを小型シャワーヘッド２３下の第１解離空間３０ｂの中央部領域でプラズマ化させ、プラズマを生成する。これにより、第１解離空間３０ｂにおいて高解離状態の第１ガスのプラズマＰが生成される。

【0048】

波長の短い電磁波をシャワーヘッド２０に直接供給し、シャワーヘッド２０内でガスを解離させるとプラズマが不均一になり易い。これに対して、本実施形態では、第１解離空間３０ｂをプラズマ生成空間にして第１解離空間３０ｂで表面波プラズマを生成し、電磁波の電界により第１ガスを高解離させる。

【0049】

これによれば、第１解離空間３０ｂをプラズマ生成空間として機能させ、シャワーヘッド２０に供給される前の段階で第１ガスを効率よく十分に解離させた後、第１ガスの活性種をシャワーヘッド２０に導入する。

【0050】

第２解離空間３０ｅは、第１解離空間３０ｂにて高解離させた第１ガスと、低解離した（または、解離していない）第２ガスとを合流させ、これらのガスのプラズマを生成するプロセス空間である。第２解離空間３０ｅでは、高周波電源６０から供給される高周波により第１ガス及び第２ガスを解離させる。

【0051】

図４はプラズマ電子密度の一例を示す図である。図４の横軸は誘電体窓の中心を０として中心からの半径（距離）を示し、縦軸は第１解離空間３０ｂにて生成されたプラズマ電子密度を示す。第１解離空間３０ｂへ供給する電磁波のパワーを１００Ｗ、２００Ｗ、４００Ｗとする。

【0052】

図４（ａ）は本実施形態に係る誘電体窓２１の形状、すなわち環状であって中央からガスを供給する場合に誘電体窓２１の下方で生成されるプラズマ電子密度（Ｎｅ）を示す。図４（ｂ）は参考例に係る誘電体窓の形状、すなわち円盤状の場合に誘電体窓の下方で生成されるプラズマ電子密度（Ｎｅ）を示す。

【0053】

環状の誘電体窓２１の場合、中心部に配置された小型シャワーヘッド２３の下面（ガス孔２３ａが開口する面）の金属部分にもプラズマシースが形成される。これにより、金属部分のプラズマシース内を電磁波の表面波が伝搬することができるようになる。係る状態では周囲に配置された誘電体窓２１から中心部の小型シャワーヘッド２３の下面に電磁波が集まってくる。このため、環状の誘電体窓２１の中央にてエネルギーが集中し電界は高くなる。

【0054】

この結果、環状の誘電体窓２１の下方でプラズマを生成すると、図４（ａ）に示すように誘電体窓２１の中心部のプラズマ電子密度（Ｎｅ）が最も高くなる。一方、円盤状の誘電体窓の下方でプラズマを生成すると、誘電体窓の全面にエネルギーが分散する。このため、図４（ｂ）に示すように誘電体窓の中心部におけるプラズマ電子密度は図４（ａ）の本実施形態の場合よりも低くなり、プラズマ電子密度の頂部がフラットになる。

【0055】

よって、本実施形態に係る誘電体窓２１の形状によれば、小型シャワーヘッド２３から第１解離空間３０ｂの中心部に第１ガスを流し、エネルギーの高い中心部でガスをプラズマ化することで、効率的に第１ガスを高解離させることができる。

【0056】

図２に戻り、誘電体窓２１の第１解離空間３０ｂに露出する面（下面）は環状の凹部２１ａを有する。誘電体窓２１の厚みを薄くすることで電磁波が凹部２１ａを通り難くすることができる。これにより、小型シャワーヘッド２３の金属部分のシース内を電磁波の表面波が通るときの電界をより強くすることができ、更にプラズマ密度の高いプラズマを生成できる。ただし、誘電体窓２１の下面に凹部２１ａを設けず、下面の形状をフラットにしてもよい。

【0057】

小型シャワーヘッド２３の側面の金属部分に電界が伝わらないようにするため、凹部２１ａの側面２１ｂは小型シャワーヘッド２３の側壁を保護するように小型シャワーヘッド２３に沿って小型シャワーヘッド２３の端部まで設けられる。凹部２１ａの側面２１ｃは筒状体４０の凸部４０ａを保護するように筒状体４０の凸部４０ａに沿って凸部４０ａの端部まで設けられる。

【0058】

以上説明したプラズマ処理装置１では、シャワーヘッド２０の上流側にプラズマ生成空間としての第１解離空間３０ｂを設ける。そして、第１解離空間３０ｂにおいて第１ガスを解離させ、生成されたラジカル等のガスの活性種を、シャワーヘッド２０を通って第２解離空間３０ｅに供給する。第２解離空間３０ｅに到達した第１ガスは再結合励起状態であったりするため、ＶＨＦ帯以上の電磁波よりも周波数の低い高周波のエネルギーにより容易に再解離させることができる。これによりＶＨＦ帯以上の電磁波の波長の短さに起因したプラズマプロセスの不均一を回避しつつ、ＶＨＦ帯以上の電磁波の特徴である高効率なラジカル生成能力を利用して、プラズマプロセスの均一性の向上を図ることができる。

【0059】

以上に説明したように、本実施形態のプラズマ処理装置によれば、プラズマプロセスの均一性の向上を図ることができる。

【0060】

今回開示された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。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。

【符号の説明】

【0061】

１…プラズマ処理装置
２…ガス活性化部
１０…チャンバ
１８…基板支持部
２０…シャワーヘッド
２１…誘電体窓
２２…ガス配管
２３…小型シャワーヘッド
３０ｂ…第１解離空間
３０ｄ…拡散室
３０ｅ…第２解離空間
４０…筒状体
１００…共振器

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】