特開 2023-41487 プラズマ源及びプラズマ処理装置

(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】P2023041487

(43)【公開日】2023-03-24

(54)【発明の名称】プラズマ源及びプラズマ処理装置

(51)【国際特許分類】

   H05H 1/46 20060101AFI20230316BHJP

   H01L 21/31 20060101ALI20230316BHJP

   C23C 16/509 20060101ALI20230316BHJP

   C23C 16/511 20060101ALI20230316BHJP

【ＦＩ】

H05H1/46 B

H05H1/46 M

H01L21/31 C

C23C16/509

C23C16/511

【審査請求】未請求

【請求項の数】13

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021148890

(22)【出願日】2021-09-13

(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】加藤 健太

(72)【発明者】

【氏名】池田 太郎

【テーマコード（参考）】

2G084

4K030

5F045

【Ｆターム（参考）】

2G084AA02

2G084AA05

2G084BB02

2G084BB06

2G084CC05

2G084CC06

2G084CC12

2G084CC14

2G084CC33

2G084DD02

2G084DD05

2G084DD15

2G084DD23

2G084DD24

2G084FF02

2G084FF15

4K030EA06

4K030FA01

4K030FA03

4K030JA03

4K030KA30

4K030KA47

5F045AA08

5F045AA15

5F045BB08

5F045DP03

5F045EF05

5F045EH03

5F045EH11

5F045EH18

5F045EH20

5F045EM09

(57)【要約】

【課題】プラズマ着火を容易にし、ガスの分解効率を向上させる。
【解決手段】開口を持つ第１壁及び前記第１壁に対向する第２壁を有し、プラズマ生成空間を構成するプラズマ生成部と、前記開口を塞ぐように前記第１壁に設けられ、前記プラズマ生成空間に電磁波を透過するように構成された誘電体窓と、前記第２壁に設けられ、前記誘電体窓に近接するように前記第２壁から突出し、少なくとも一部に導体を含んだ突出部と、を有し、前記突出部には前記誘電体窓に向けて開口するガス孔が設けられているプラズマ源が提供される。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

開口を持つ第１壁及び前記第１壁に対向する第２壁を有し、プラズマ生成空間を構成するプラズマ生成部と、
前記開口を塞ぐように前記第１壁に設けられ、前記プラズマ生成空間に電磁波を透過するように構成された誘電体窓と、
前記第２壁に設けられ、前記誘電体窓に近接するように前記第２壁から突出し、少なくとも一部に導体を含んだ突出部と、を有し、
前記突出部には前記誘電体窓に向けて開口するガス孔が設けられているプラズマ源。

【請求項2】

前記ガス孔の端面は、拡径されている、
請求項１に記載のプラズマ源。

【請求項3】

前記突出部は、誘電体で形成されている、
請求項１又は２に記載のプラズマ源。

【請求項4】

前記導体は、前記誘電体の中に埋め込まれている、
請求項３に記載のプラズマ源。

【請求項5】

前記導体は、前記ガス孔の端面近傍の前記ガス孔の外周に埋め込まれ、前記ガス孔に露出しない、
請求項４に記載のプラズマ源。

【請求項6】

前記導体は、ドーナツ形状である、
請求項１～５のいずれか一項に記載のプラズマ源。

【請求項7】

前記導体の外径の直径は、１０ｍｍ以上２８ｍｍ以下である、
請求項６に記載のプラズマ源。

【請求項8】

前記突出部は導体で形成され、前記導体の周囲は誘電体で被覆されている、
請求項１又は２に記載のプラズマ源。

【請求項9】

前記第１壁と前記第２壁の距離はプラズマ表皮深さの１０倍～１００倍である、
請求項１～８のいずれか一項に記載のプラズマ源。

【請求項10】

前記プラズマ源は、連結部を介してプラズマ処理装置の上部に配置され、
前記プラズマ処理装置は基板を処理する処理室を有し、
前記プラズマ生成部は、前記プラズマ処理装置の外部に設けられ、前記電磁波により前記ガス孔から供給したガスから生成したプラズマを前記連結部に通して前記処理室に供給する、
請求項１～９のいずれか一項に記載のプラズマ源。

【請求項11】

前記第２壁には複数の貫通孔が形成されている、
請求項１～９のいずれか一項に記載のプラズマ源。

【請求項12】

前記プラズマ源は、プラズマ処理装置の上部に配置され、
前記プラズマ処理装置は基板を処理する処理室を有し、
前記プラズマ生成部は、一部が前記プラズマ処理装置の内部に設けられ、前記電磁波により前記ガス孔から供給したガスから生成したプラズマを前記複数の貫通孔から前記処理室に供給する、
請求項１１に記載のプラズマ源。

【請求項13】

請求項１～１２のいずれか一項に記載のプラズマ源を有するプラズマ処理装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、プラズマ源及びプラズマ処理装置に関する。

【背景技術】

【0002】

低温で高品質な膜を得るためにプラズマを使用して成膜を行うことは重要である。また、近年成膜において薄膜化が進んできており、プラズマＡＬＤ（Atomic Layer Deposition）法による成膜が取り入れられている。プラズマを用いることで、低温で高品質の薄膜が得られる一方、プラズマによる膜への電気的なダメージや物理的なダメージが課題となる場合がある。これを解決するために、リモートソースを用いたＡＬＤ法による成膜が提案されている。

【0003】

例えば、特許文献１、２は、ＩＣＰ（Inductively Coupled Plasma）タイプのリモートプラズマ源を有したリモートプラズマ処理装置の構成を開示している。このようにリモートソースにＩＣＰ型のリモートソースを使用する場合、プラズマの安定範囲が狭く、プラズマ着火が容易ではない場合がある。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０１７－１５００２３号公報

【特許文献2】特開２０１４－４９５２９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

本開示は、プラズマ着火を容易にし、ガスの分解効率を向上させ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】

【0006】

本開示の一の態様によれば、開口を持つ第１壁及び前記第１壁に対向する第２壁を有し、プラズマ生成空間を構成するプラズマ生成部と、前記開口を塞ぐように前記第１壁に設けられ、前記プラズマ生成空間に電磁波を透過するように構成された誘電体窓と、前記第２壁に設けられ、前記誘電体窓に近接するように前記第２壁から突出し、少なくとも一部に導体を含んだ突出部と、を有し、前記突出部には前記誘電体窓に向けて開口するガス孔が設けられているプラズマ源が提供される。

【発明の効果】

【0007】

一の側面によれば、プラズマ着火を容易にし、ガスの分解効率を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】第１実施形態に係るプラズマ処理装置を示す断面斜視図。

【図2】図１に示すプラズマ源の領域Ａの拡大図。

【図3】プラズマ電子密度のシミュレーション結果の一例を示す図。

【図4】第１実施形態に係るプラズマ源を示す斜視図。

【図5】電磁波供給部の一例を示す図。

【図6】突出部の変形例を示す図。

【図7】第２実施形態に係るプラズマ処理装置を示す断面図。

【発明を実施するための形態】

【0009】

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。

【0010】

＜第１実施形態＞
［プラズマ処理装置］
第１実施形態に係るプラズマ処理装置２について、図１及び図２を参照して説明する。図１は、第１実施形態に係るプラズマ処理装置２を示す断面斜視図である。図２は、図１に示す領域Ａの拡大図である。

【0011】

図１に示すプラズマ処理装置２は、プラズマ源１を有する。プラズマ源１は、連結部２３を介してプラズマ処理装置２の上部に配置されている。プラズマ源１は、第１チャンバ２２と電磁波供給部３６と突出部２４とを有する。第１チャンバ２２は、プラズマ処理装置２の中心軸線としての軸線ＡＸの方向に延びる扁平な矩形状の容器である。第１チャンバ２２及び電磁波供給部３６はプラズマ生成部の一例である。第１実施形態では、プラズマ生成部はプラズマ処理装置２の外部に設けられる。

【0012】

第１チャンバ２２を構成する壁のうち最も大きな面積を持つ対向する２つの壁を第１壁２２ａ（図４参照）及び第２壁２２ｂという。第１チャンバ２２は内部にプラズマ生成空間２２ｄを構成する。第１壁２２ａには開口２２ｅが形成されている。誘電体窓３８は、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）等のセラミックス（誘電体）から形成され、マイクロ波等の電磁波を透過するように構成されている。誘電体窓３８は、開口２２ｅを塞ぐように第１壁２２ａの壁面に沿って設けられている。誘電体窓３８は、電磁波供給部３６の先端に設けられ、電磁波供給部３６から供給される電磁波をプラズマ生成空間２２ｄに透過する。電磁波はマイクロ波を含む。マイクロ波の周波数帯域は３００ＭＨｚ～３ＴＨｚである。電磁波は周波数帯域が１５０ＭＨｚ～３００ＭＨｚのＶＨＦ波を含んでもよい。

【0013】

突出部２４は、第２壁２２ｂに設けられ、誘電体窓３８に近接するように第２壁２２ｂから突出し、少なくとも一部に導体を含んでいる。導体は電極として機能する。突出部２４には誘電体窓３８に向けて開口するガス孔２４ｃが設けられている。突出部２４の構成及び機能については後述する。

【0014】

突出部２４のガス孔２４ｃは、ガス供給部５０に接続され、ガス供給部５０からの還元ガスをプラズマ生成空間２２ｄに供給する。第１チャンバ２２では、プラズマ生成空間２２ｄにおいて、電磁波供給部３６から供給される電磁波の電界により突出部２４のガス孔２４ｃから供給するガスを分解してプラズマが生成される。生成されたプラズマ中のラジカルはプラズマ処理装置２に供給され、基板Ｗの処理に使用される。プラズマ処理装置２は、第２チャンバ１０を有する。なお、還元ガス以外の処理ガスは、例えば、第２チャンバ１０の側壁から直接処理室３０ｅに供給してもよい。

【0015】

実施形態においては、第２チャンバ１０は、チャンバ本体１２を含んでいる。チャンバ本体１２は、略円筒形状を有しており、その上部において開口している。チャンバ本体１２は、第２チャンバ１０の側壁及び底部を提供している。チャンバ本体１２は、アルミニウム等の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】

第２チャンバ１０は、上壁１４を更に含んでいる。上壁１４は、アルミニウム等の金属から形成されている。上壁１４は、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。

【0017】

プラズマ処理装置２は、載置台１８を更に備える。載置台１８は、第２チャンバ１０内に設けられている。載置台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、略水平な状態で載置台１８上に載置される。載置台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、第２チャンバ１０の底部から上方に延びている。載置台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。

【0018】

プラズマ処理装置２は、シャワーヘッド２０を更に備える。シャワーヘッド２０は、アルミニウム等の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、載置台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、第２チャンバ１０の内部空間を画成する天部を構成する。

【0019】

第２チャンバ１０は、シャワーヘッド２０と載置台１８との間に基板を処理する処理室３０ｅを有する。基板Ｗは処理室３０ｅにおいて処理される。第２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、第２チャンバ１０の中心を鉛直方向に延びる軸線である。

【0020】

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、第２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。

【0021】

第２チャンバ１０の底部は、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。

【0022】

シャワーヘッド２０は、内部に拡散室３０ｄを提供している。シャワーヘッド２０は、シャワーヘッド２０を厚さ方向に貫通する複数のガス貫通孔２０ｉを提供し、複数のガス貫通孔２０ｉは、シャワーヘッド２０の下面に開口する。シャワーヘッド２０は、ガスを拡散室３０ｄから複数のガス貫通孔２０ｉに通して処理室３０ｅに導入するガス経路を形成する。これにより、処理室３０ｅに向けて第１チャンバ２２で生成されたラジカルや、必要によりその他のガスが導入される。載置台１８は下部電極としても機能し、シャワーヘッド２０は上部電極としても機能する。

【0023】

シャワーヘッド２０の外周は、酸化アルミニウム等の誘電体の部材３３で覆われている。載置台１８の外周は、酸化アルミニウム等の誘電体の部材３４で覆われている。シャワーヘッド２０に高周波を供給しない場合、誘電体の部材３３はなくてもよい。ただし、載置台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。

【0024】

載置台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、負荷側（載置台１８側）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、後述のプラズマ源１に供給されるＶＨＦ波及びマイクロ波の周波数よりも低く、６０ＭＨｚ以下の周波数である。高周波の周波数は１３．５６ＭＨｚであってもよい。なお、高周波電源６０は、整合器６１を介して載置台１８又はシャワーヘッド２０に接続されてもよい。プラズマ源１からプラズマ処理装置２へ移送されたラジカルは、プラズマ処理装置２内に印加される高周波電力により再解離され、基板Ｗの処理に使用される。

【0025】

［プラズマ源］
プラズマ源１について図１及び図２に加えて、図３を参照してさらに詳細に説明する。図３は、プラズマ電子密度のシミュレーション結果の一例を示す図である。プラズマ源１は、連結部２３を有し、連結部２３が上壁１４上に固定されている。連結部２３の上に第１チャンバ２２が設けられ、第１チャンバ２２内で生成されたプラズマ中のラジカル（活性種）を、連結部２３を介してプラズマ処理装置２に供給する構造になっている。

【0026】

連結部２３は、アルミニウム等の金属から形成された略円筒形状の中空部材であり、その中心軸線として軸線ＡＸを共有している。連結部２３の下端は、第２チャンバ１０の上壁１４の中央に形成された開口に連通している。

【0027】

第１チャンバ２２は、軸線ＡＸを中心とした扁平な矩形導波管である。連結部２３の上端は扁平な第１チャンバ２２の幅方向に拡張され、第１チャンバ２２の下端に連結する。第１チャンバ２２は、内部に扁平なプラズマ生成空間２２ｄを形成するように構成される。第１チャンバ２２及び連結部２３は、アルミニウム等の導体により構成され、グランド電位を有する。

【0028】

図１の領域Ａを拡大した図２を参照すると、突出部２４は、円柱状であり、全体を、アルミナ、ＡｌＮ、石英等の誘電体２４ｇで形成されている。突出部２４は、第２壁２２ｂを貫通し、第２壁２２ｂから突出する。突出部２４の内部には、突出部２４を貫通するガス孔２４ｃが形成されている。ガス孔２４ｃは、細孔２４ｃ１と細孔２４ｃ１から拡径された拡径部２４ｃ２を有し、ガス孔２４ｃ先端の開口部２４ａは拡径部２４ｃ２から誘電体窓３８に向けて開口する。ガス孔２４ｃから還元ガスがプラズマ生成空間２２ｄ内に供給される。これにより、突出部２４は、ガスノズルとしての機能を有する。突出部２４のプラズマ着火源としての機能については後述する。

【0029】

突出部２４のガス孔２４ｃは、誘電体窓３８に向かってガスを吐出する。このため、電磁波のエネルギーが集中した範囲にガスを噴射することでガスの分解効率とラジカルの生成効率を向上させることができる。図３は、プラズマ生成空間２２ｄ内のプラズマ電子密度Ｎ_ｅのシミュレーション結果の一例を示す図である。本開示のシミュレーションの条件としては、ガス孔２４ｃからアルゴンガスを供給した。突出部２４の先端は、第２壁２２ｂから突出していないモデルを採用した。プラズマ生成空間２２ｄの圧力は１０Ｐａに設定し、誘電体窓３８から８６０ＭＨｚの周波数のマイクロ波を供給した。

【0030】

シミュレーションの結果、図３に示すように、誘電体窓３８の近傍のプラズマ生成空間２２ｄ内のプラズマ電子密度Ｎ_ｅが高くなる。プラズマ電子密度Ｎ_ｅは、誘電体窓３８の中心付近ほど高く、誘電体窓３８の中心付近から離れるほど低下した。以上の結果から、誘電体窓３８の近傍はエネルギーが集中した範囲であることがわかる。

【0031】

そこで、本実施形態では図３の矢印方向へ突出部２４を突出させ、突出部２４の先端から誘電体窓３８に向けてガスを供給する。これにより、プラズマ生成空間２２ｄのプラズマ電子密度Ｎ_ｅが高い領域にガスを供給できる。これにより、誘電体窓３８の近傍のエネルギーが集中した範囲にガスを噴射することでガスの分解効率とラジカルの生成効率を向上させることができる。

【0032】

更に、図４の第１実施形態に係るプラズマ源１を示す斜視図を参照して説明を続ける。プラズマ源１は、第１チャンバ２２の第１壁２２ａに接続された電磁波供給部３６を有する。図１及び図４を参照すると、第１チャンバ２２を構成する壁のうち第１壁２２ａに、第１チャンバ２２の長手方向（縦方向）に、軸線ＡＸ上に中心を有する２つの電磁波供給部３６が縦方向に並んで配置されている。２つの電磁波供給部３６の構成は同一である。

【0033】

電磁波供給部３６は、先端に誘電体窓３８を有し、誘電体窓３８を介して第１チャンバ２２内に電磁波を供給するように構成されている。本実施形態では、マイクロ波発振器４０から入力ポートを介して電磁波供給部３６にマイクロ波が伝搬する。電磁波供給部３６は、同軸導波管構造を有し、略円筒形状の内導体３６ａ及び内導体３６ａの周囲に同心円状に配置された略円筒形状の外導体３６ｂを有する。マイクロ波は、内導体３６ａと外導体３６ｂとの間を伝搬して略円盤形状の石英部材３７を透過し、石英部材３７と誘電体窓３８との間の隙間Ｕ（図５参照）に設けられたアンテナ２６のスロットＳを介して誘電体窓３８に伝搬する。なお、内導体３６ａと外導体３６ｂとの間は、空間であってもよいし、アルミナ等が配置されてもよい。マイクロ波は、誘電体窓３８を透過し、第１チャンバ２２の第１壁２２ａの開口２２ｅから第１チャンバ２２内に放射される。なお、内導体３６ａ、石英部材３７及び誘電体窓３８は、外導体３６ｂにより覆われている。

【0034】

図５（ａ）は、図４のＡ－Ａ断面を示し、第１壁２２ａの開口２２ｅ付近を第１壁２２ａの内壁側から平面視した図であり、図５（ｂ）は図５（ａ）に示す開口２２ｅの中心を通るＢ－Ｂ断面を示す図である。図５（ａ）に示すように、開口２２ｅから露出する誘電体窓３８の面の反対面には導体のアンテナ２６が接触し、ドーナツ形状（環状）のスロットＳが形成されている。

【0035】

また、図５（ｂ）に示すように、開口２２ｅから露出する誘電体窓３８の面は、誘電体窓３８の中央領域３８ａにて円形に凹み、中央領域３８ａが誘電体窓３８の外周領域３８ｂよりも薄くなっている。これにより、プラズマ着火の特性を良くすることができる。ただし、中央領域３８ａの凹みはなくてもよい。

【0036】

なお、本実施形態では、電磁波供給部３６は第１壁２２ａに縦方向に２つ配置されているが、３つまたはそれ以上配置されてもよいし、１つだけ配置されてもよい。電磁波供給部３６の本数が多くなるほど、ラジカル生成効率及びプラズマ生成効率が高くなる。

【0037】

係る構成により、縦方向に配置された電磁波供給部３６のうち上段の電磁波供給部３６の付近はガスの解離が促進される第１解離エリアとなる。また、下段の電磁波供給部３６の付近はガスの解離が促進される第２解離エリアとなる。第１解離エリアで解離したガスは、第２解離エリアで更に解離されるため、第１チャンバ２２内のプラズマ生成空間２２ｄにおいて縦方向に下に行くほどガスの解離度が高くなる。このため、第１チャンバ２２にて高密度のプラズマが生成される。これにより、連結部２３は、充分なラジカルを第２チャンバ１０に供給できる。

【0038】

このようにして載置台１８（下部電極）及びシャワーヘッド２０（上部電極）の間の処理室３０ｅにプラズマ源１からラジカルを供給し、載置台１８に載置された基板Ｗを処理する。このとき、プラズマ源１からシャワーヘッド２０に設けられた複数のガス貫通孔２０ｉを介してラジカルが、シャワーヘッド２０を通って流れ、処理室３０ｅへ供給される。処理室３０ｅへ供給されたラジカルは移送中に再結合してガスになっている場合がある。ラジカル及び再結合したガスを高周波電源６０の高周波電力により分解させ、これにより生成されたプラズマによって基板Ｗに成膜等の処理が施される。プラズマ源１からラジカルを供給することによって、高周波電源６０から供給する高周波電力が小さく、また、周波数が比較的に低くても、充分にガスの解離が進みラジカルの供給を高めることができる。これにより、ダメージの少ない基板の成膜を実行できる。なお、図示は省略するが、高周波電源６０のみで十分に解離させることが可能なガスは、プラズマ源１を経由せずに直接、シャワーヘッド２０へ供給してもよい。

【0039】

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、プラズマ源１を含むプラズマ処理装置２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２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２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２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、プラズマ処理装置２の各部を制御することにより、レシピデータに従って種々のプロセス、例えばプラズマ処理方法がプラズマ処理装置２で実行される。

【0040】

リモートソースにＩＣＰ型のリモートソースを使用する場合、プラズマの安定範囲が狭く、プラズマ着火が容易ではない場合がある。これに対して以上の構成のプラズマ処理装置２によれば、マイクロ波のように比較的高い周波数の電磁波によりプラズマを生成してガスを活性化するプラズマ源１を使用して充分なラジカルを第２チャンバ１０に供給できる。これにより、マイクロ波を使用したリモートプラズマ源を使用して基板Ｗへのダメージの少ないプロセスを実行できる。

【0041】

更に、本実施形態に係るプラズマ源１は、突出部２４を有する。突出部２４は、第１チャンバ２２内にて誘電体窓３８に対向する第２壁２２ｂの内壁から突出し、誘電体窓３８から離間して設けられる。

【0042】

突出部２４は、少なくとも一部に導体を含む。図２に示す突出部２４では、誘電体２４ｇの中に導体２４ｄが埋め込まれている。導体２４ｄは、アルミニウムなどの金属により形成され、内部電極として機能する。導体２４ｄの先端から誘電体窓３８の表面までの水平方向（軸線ＡＸに垂直な方向）の距離Ｄは、導体２４ｄの先端近傍の電界が十分低くなる距離であり、３ｍｍ～１０ｍｍ程度離間されていればよい。ただし、距離Ｄは５ｍｍ～１０ｍｍ程度離間すればコンタミネーション、パーティクル、ダメージをより抑制でき、より好ましい。導体２４ｄは、ドーナツ形状（環状）であり、ガス孔２４ｃの端面近傍であって拡径部２４ｃ２の外周に埋め込まれている。導体２４ｄは、突出部２４を形成する誘電体２４ｇに覆われ、ガス孔２４ｃの内壁に露出しない。

【0043】

ガス孔２４ｃにてマイクロ波の表面波により異常放電が生じることを防止するために、ガス孔２４ｃは、その先端にてガス孔２４ｃの細孔２４ｃ１から拡大し、誘電体窓３８に向かって開口する拡径部２４ｃ２を有する。拡径部２４ｃ２は円筒形である。なお、拡径部２４ｃ２は、円筒形に限らず、四角形や五角形等の多角形を底面とする角柱形状であってもよい。

【0044】

拡径部２４ｃ２のガス孔２４ｃの先端からの深さ（長さ）は、５ｍｍ以上である。ガス孔２４ｃの細孔２４ｃ１の直径は、１ｍｍよりも小さく、例えば０．３ｍｍである。拡径部２４ｃ２及び開口部２４ａの直径は、３ｍｍ以上であって、かつ、プラズマ中のマイクロ波の表面波波長λの１／８以下である。

【0045】

プラズマ中のマイクロ波の表面波波長λは、真空中のマイクロ波の波長λ_０の１／３程度である。マイクロ波プラズマプロセスで使用する波長λ_０は約１２０～４８０ｍｍであるから、プラズマ中のマイクロ波の表面波波長λは約４０～１６０ｍｍになる。よって、拡径部２４ｃ２及び開口部２４ａの直径は３ｍｍ以上であって、かつ、プラズマ中のマイクロ波の表面波波長λの１／８の約５～２０ｍｍとなる。

【0046】

拡径部２４ｃ２及び開口部２４ａの直径が、３ｍｍ以上、かつ、プラズマ中のマイクロ波の表面波波長λの１／８以下である技術的意味について説明する。例えば、拡径部２４ｃ２及び開口部２４ａの直径がプラズマ中のマイクロ波の表面波波長λの１／４の場合、マイクロ波の表面波は、開口部２４ａで止まり、その先には伝搬できない。つまり、拡径部２４ｃ２及び開口部２４ａは、マイクロ波の表面波を開口よりも先に伝搬させないように機能する。このとき、マイクロ波の表面波は、開口部２４ａで全反射となるため、開口部２４ａ付近においてマイクロ波の電界強度が最大となり、臨界値を超えるとアーク放電が発生し、異常放電となる場合がある。

【0047】

これに対して、開口部２４ａの直径がプラズマ中のマイクロ波の表面波波長λの１／８の場合、マイクロ波の表面波は、開口部２４ａを通過することができる。このとき、マイクロ波の表面波は、開口部２４ａで止まらず、かつ、拡径部２４ｃ２の内部圧力とプラズマ生成空間２２ｄの圧力との圧力差が小さい。このため、拡径部２４ｃ２の内部にマイクロ波の強い電界はほぼ侵入せず、拡径部２４ｃ２における異常放電の発生を防止できる。よって、拡径部２４ｃ２及び開口部２４ａの直径は、プラズマ中のマイクロ波の表面波波長λの１／８、つまり、２０ｍｍ以下である必要がある。

【0048】

一方、開口部２４ａの直径が３ｍｍよりも小さい場合、マイクロ波の表面波は、開口部２４ａを通過することはできる。しかし、拡径部２４ｃ２の内部圧力とプラズマ生成空間２２ｄの圧力との圧力差が大きくなる。このため、拡径部２４ｃ２における異常放電の発生が生じやすくなる。したがって、拡径部２４ｃ２の開口部２４ａ直径は、３ｍｍ以上にする。これにより、ガス孔２４ｃの先端及びその周辺にて異常放電が発生することを防止できる。

【0049】

次に、突出部２４のプラズマ着火源としての機能について説明する。プラズマ源１のようにマイクロ波を使用したプラズマ着火では、式（１）に示す放電電界Ｅ_ｂｄにより着火性能が決定される。

【0050】

【数1】

【0051】

これに対して、第２チャンバ１０のように平行平板型のプラズマ処理装置では、下部電極及び上部電極間における高周波電力による放電によって、パッシェンの法則に従い、式（２）に示す放電電圧Ｖ_ｂｄにより着火性能が決定される。

【0052】

【数2】

【0053】

なお、式（１）のＤ及びＫは、ガス種によって定まる係数であり、ｐはチャンバ内の圧力であり、ｆは電磁波の周波数である。ｍは、ガス種によって定まる定数（概ね０．５）である。また、式（２）のＡ及びＢは、ガス種によって定まる係数であり、ｐはチャンバ内の圧力であり、ｄは、下部電極及び上部電極の電極間距離であり、γ_ｓｅは、２次電子放出係数である。２次電子放出係数は、下部電極及び上部電極の材料と表面状態によって定まる係数である。

【0054】

つまり、プラズマ源１では、プラズマ着火にパッシェンの法則は成立しない。よって、プラズマ源１では、式（２）に示す放電電圧Ｖ_ｂｄにより着火性能は決定されない。プラズマ源１では、式（１）に示す放電電界Ｅ_ｂｄを強くすれば着火し易くなる。そこで、プラズマ源１が有する突出部２４は、マイクロ波および１５０ＭＨｚ以上のＶＨＦ波に特有の着火し易い形状及び配置を有し、第１チャンバ２２においてプラズマの着火を容易にする。

【0055】

第１チャンバ２２内にプラズマが生成されていないとき、マイクロ波が第１チャンバ２２内に放射されると、放射されたマイクロ波が突出部２４内の導体２４ｄで反射して、マイクロ波の反射波が第１壁２２ａに戻る。そうすると、誘電体窓３８から出力されるマイクロ波の入射波と突出部２４で反射した反射波との間で定在波が生じる。第１チャンバ２２は扁平であり第１壁２２ａ及び第２壁２２ｂの間が狭いため、第１チャンバ２２内で高電界が生じ、プラズマの着火が容易になる。一方、プラズマ着火後は、突出部２４と第１壁２２ａの内壁との間の電界は高くならない。

【0056】

以上から、突出部２４はパッシブ着火源であり、それ自体には電圧を印加しないが、ドーナツ形状の導体２４ｄが内部電極として機能し、導体２４ｄによってマイクロ波を反射することができる。導体２４ｄの外径の直径は、１０ｍｍ以上２８ｍｍ以下である。

【0057】

ガス孔２４ｃの開口部２４ａの直径は３ｍｍ以上、かつ、プラズマ中のマイクロ波の表面波波長λの１／８以下であり、例えば４ｍｍである。よって、導体２４ｄの外径の直径の下限値は、開口部２４ａのサイズに対して十分なサイズでありつつ、パッシブ着火源として機能させるために１０ｍｍ以上とする。また、導体２４ｄの外径の直径の上限値は、電界強度が弱まり着火性を悪化させないために、マイクロ波を導入するために設けられたスロットＳの内径の寸法以下のサイズであることが好ましい。このため、導体２４ｄの外径の直径の上限値は２８ｍｍ以下とする。

【0058】

（突出部の変形例）
突出部２４は、図２に示す構成に限らない。例えば突出部２４の変形例について、図６を参照しながら説明する。変形例に係る突出部２４は、円柱状の全体を導体２４ｅで形成し、導体２４ｅの周囲をアルミナ等の誘電体２４ｆで被覆してもよい。この場合にも突出部２４の内部にガス孔２４ｃが形成され、ガス孔２４ｃは、細孔２４ｃ１と拡径部２４ｃ２を有し、ガス孔２４ｃ先端の開口部２４ａは拡径部２４ｃ２から誘電体窓３８に向けて開口する。ガス孔２４ｃの細孔２４ｃ１及び拡径部２４ｃ２のサイズは図２の突出部２４のサイズと同一である。導体２４ｅの先端から誘電体窓３８の底面までの水平方向の距離も図２の導体２４ｄの場合と同一である。導体２４ｅを誘電体２４ｆでコーティングすることで、突出部２４のプラズマ耐性を高め、プラズマによる消耗及び劣化を抑制することができる。突出部２４の変形例の構成によってもプラズマ着火を容易にし、ガスの分解効率を向上させることができる。なお、図２および図６に示した突出部２４の先端部の形状は、角部を面取りした丸みを帯びた形状としてもよい。

【0059】

なお、突出部２４の図２に示す導体２４ｄ及び図６に示す導体２４ｅはフローティング電極として機能する。

【0060】

第１壁２２ａ及び第２壁２２ｂの内壁間の距離は、プラズマのスキンデプス（表皮深さ）の１０倍～１００倍である。当該距離が１０倍～１００倍の範囲になるのは、以下に示すプラズマ導電率がプラズマ密度で大きく変化するためである。本実施形態の場合、第１壁２２ａ及び第２壁２２ｂの内壁間の距離は、約２０ｍｍである（図１参照）。

【0061】

スキンデプスは、（１）周波数、（２）電子密度、（３）電子及び中性粒子の衝突周波数により値が変化する。ここで、（３）の電子及び中性粒子の衝突周波数についてはガス種及び電子温度により決定される。スキンデプスδは、式（３）により算出される。
スキンデプスδ＝［２／（ωμ_０σ_ｄｃ）］^１／２・・・（３）
ここで、ωは電源周波数、μ_０は真空の透磁率、σ_ｄｃはプラズマ導電率である。プラズマ導電率は式（４）により算出される。
プラズマ導電率σ_ｄｃ＝ｅ^２ｎ_ｅ／（ｍν_ｍ）・・・（４）
ここでｅは素電荷、ｎ_ｅは電子密度、ｍは電子の質量、ν_ｍは電子－中性粒子の衝突周波数である。

【0062】

第１壁２２ａ及び第２壁２２ｂの内壁間の距離をスキンデプスの１０倍としたときに、マイクロ波の周波数が８００ＭＨｚの場合、その距離は約２０ｍｍとなり、４００ＭＨｚの場合約２８ｍｍとなり、２．４５ＧＨｚの場合約１２ｍｍとなる。これにより、プラズマの電子温度を低く、また、電子密度が高いプラズマ源１を実現できる。なお、第１チャンバ２２内の圧力は０．５Ｔｏｒｒ以上で使用する。

【0063】

以上に説明した第１実施形態に係るプラズマ源１によれば、第１チャンバ２２の厚みを薄くし、突出部２４を設けることで、プラズマ着火を容易にし、第１チャンバ２２におけるプラズマ生成効率を高くしプラズマ生成の安定範囲を広くすることができる。加えて、高電子温度及び高電子密度領域をプラズマ生成空間の電磁波が供給される領域に集中させることで、ガスの分解効率及びラジカルの生成効率を向上させることができる。特に突出部２４の中心部より還元ガスを噴射し、電磁波のエネルギーの集中している誘電体窓３８の中心部へ吹き付けることで、還元ガスの分解効率を最大限に高めることができる。

【0064】

＜第２実施形態＞
［プラズマ処理装置］
次に、第２実施形態に係るプラズマ処理装置２について、図７を参照して説明する。図７は、第２実施形態に係るプラズマ処理装置２を示す断面図である。図７の各部に付した符号は、図１の各部に付した符号と同一符号の場合、同一構成を示す。

【0065】

第２実施形態では、プラズマ源１は、プラズマ処理装置２の上部に配置されている。プラズマ源１は、シャワーヘッド２０と一体化して設けられ、第１実施形態の第１チャンバ２２が第２実施形態ではシャワーヘッド２０に対応する。つまり、プラズマ源１は、シャワーヘッド２０内の拡散室３０ｄをプラズマ生成空間とし、拡散室３０ｄと電磁波供給部３６と突出部２４とを有する。拡散室３０ｄ及び電磁波供給部３６はプラズマ生成部の一例である。第１実施形態のプラズマ生成部は、プラズマ処理装置２の外部に設けられているが、第２実施形態のプラズマ生成部は、その一部がプラズマ処理装置２の内部に設けられている。

【0066】

拡散室３０ｄを構成する壁面のうち最も大きな面積を持ち、対向する２つの壁を第１壁２２ａ及び第２壁２２ｂとすると、第２実施形態では、シャワーヘッド２０の上壁が第１壁２２ａであり、シャワーヘッド２０の下壁が第２壁２２ｂである。第１壁２２ａには開口２２ｅが形成されている。誘電体窓３８は、開口２２ｅを塞ぐように第１壁２２ａに設けられ、プラズマ生成空間２２ｄに対応する拡散室３０ｄに電磁波を透過する。誘電体窓３８は、電磁波供給部３６の先端に設けられている。

【0067】

突出部２４は、第２壁２２ｂに設けられ、誘電体窓３８に近接するように第２壁２２ｂから突出し、少なくとも一部に導体を含んでいる。突出部２４の構成及び機能は図２及び図６に示した突出部２４のいずれであってもよい。突出部２４の構成及び機能は前述したため説明を省略する。

【0068】

突出部２４のガス孔は、ガス供給部５０に接続され、ガス供給部５０からの還元ガスをプラズマ生成空間２２ｄに供給する。プラズマ生成空間２２ｄでは電磁波供給部３６から供給される電磁波の電界により突出部２４のガス孔から供給される還元ガスを分解してプラズマを生成する。第２壁２２ｂには複数のガス貫通孔２０ｉが第２壁２２ｂの厚さ方向に形成され、第２壁２２ｂを貫通する。プラズマ生成空間２２ｄで生成されたプラズマ中のラジカルは複数のガス貫通孔２０ｉから処理室３０ｅに供給され、基板Ｗの処理に使用される。

【0069】

プラズマ処理装置２は、第２チャンバ１０を有する。実施形態においては、第２チャンバ１０は、チャンバ本体１２を含んでいる。チャンバ本体１２は、略円筒形状を有しており、その上部において開口している。チャンバ本体１２は、第２チャンバ１０の側壁及び底部を提供している。チャンバ本体１２は、アルミニウム等の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。

【0070】

シャワーヘッド２０の外周は、酸化アルミニウム等の誘電体の部材３３で覆われている。載置台１８の外周は、酸化アルミニウム等の誘電体の部材３４で覆われている。チャンバ本体１２の上部の開口は、シャワーヘッド２０及び部材３３によって閉じている。

【0071】

プラズマ処理装置２は、載置台１８を更に備える。載置台１８は、第２チャンバ１０内に設けられている。載置台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、略水平な状態で載置台１８上に載置される。

【0072】

載置台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。第２チャンバ１０の底部は排気口１６ａを提供し、排気口１６ａは、排気装置１６に接続されている。

【0073】

シャワーヘッド２０のプラズマ生成空間２２ｄに相当する部分の厚みは例えば２０ｍｍである。以上に説明した第２実施形態に係るプラズマ源１によれば、シャワーヘッド２０の厚みを薄くし、突出部２４を設けることで、プラズマ着火を容易にし、拡散室３０ｄにおけるプラズマ生成効率を高くしプラズマ生成の安定範囲を広くすることができる。加えて、高電子温度及び高電子密度領域をプラズマ生成空間の電磁波が供給される領域に集中させることで、ガスの分解効率及びラジカルの生成効率を向上させることができる。特に突出部２４の中心部より還元ガスを噴射し、エネルギーの集中している誘電体窓３８の中心部へ吹き付けることで、還元ガスの分解効率を最大限に高めることができる。

【0074】

第１及び第２実施形態に係るプラズマ源１及びプラズマ処理装置２によれば、プラズマ着火を容易にし、ガスの分解効率を向上させることができる。

【0075】

今回開示された実施形態に係るプラズマ源及び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。

【0076】

突出部２４を設けることにより、整合位置の移動を不要とし、プラズマをオンする時間を短縮できる。これにより、ガスを入れ替えて素早くプラズマ着火できるため、ＡＬＤ（atomic layer deposition）プロセスにより適した構成であり、生産性を高めることができる。ただし、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法による成膜にも適用できる。本明細書に開示のプラズマ処理装置が行う基板処理は、例えば、成膜処理、エッチング処理等が挙げられる。

【符号の説明】

【0077】

１ プラズマ源
２ プラズマ処理装置
１０ 第２チャンバ
２０ シャワーヘッド
２２ 第１チャンバ
２２ａ 第１壁
２２ｂ 第２壁
２２ｄ プラズマ生成空間
２４ 突出部
３０ｅ 処理室
３６ 電磁波供給部
３８ 誘電体窓
９０ 制御部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】