特開 2024-21098 基板処理装置、流体活性化装置、基板処理方法及び流体活性化方法

(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】P2024021098

(43)【公開日】2024-02-16

(54)【発明の名称】基板処理装置、流体活性化装置、基板処理方法及び流体活性化方法

(51)【国際特許分類】

   H05H 1/46 20060101AFI20240208BHJP

   C23C 16/511 20060101ALI20240208BHJP

   C23C 16/452 20060101ALI20240208BHJP

   H01L 21/205 20060101ALN20240208BHJP

【ＦＩ】

H05H1/46 B

C23C16/511

C23C16/452

H01L21/205

【審査請求】未請求

【請求項の数】14

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022123673

(22)【出願日】2022-08-03

(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

(71)【出願人】

【識別番号】301021533

【氏名又は名称】国立研究開発法人産業技術総合研究所

(74)【代理人】

【識別番号】110002756

【氏名又は名称】弁理士法人弥生特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】久保田 雄介

(72)【発明者】

【氏名】飯塚 八城

(72)【発明者】

【氏名】尾▲崎▼ 成則

(72)【発明者】

【氏名】山涌 純

(72)【発明者】

【氏名】進藤 崇央

(72)【発明者】

【氏名】山西 良樹

(72)【発明者】

【氏名】成島 正樹

(72)【発明者】

【氏名】西岡 将輝

【テーマコード（参考）】

2G084

4K030

5F045

【Ｆターム（参考）】

2G084AA02

2G084AA05

2G084BB12

2G084BB35

2G084CC06

2G084CC12

2G084CC14

2G084CC25

2G084CC33

2G084DD02

2G084DD05

2G084DD15

2G084DD48

2G084FF15

4K030AA03

4K030AA06

4K030AA13

4K030AA17

4K030BA18

4K030BA29

4K030BA38

4K030CA04

4K030CA06

4K030CA12

4K030CA17

4K030EA05

4K030EA06

4K030FA01

4K030GA02

4K030HA01

4K030KA17

4K030KA47

4K030LA15

4K030LA18

5F045AA09

5F045AB04

5F045AC01

5F045AC16

5F045AD08

5F045AE01

5F045AF03

5F045AF07

5F045BB07

5F045CA15

5F045DP03

5F045DQ10

5F045EF05

5F045EH03

5F045EH05

5F045EH18

5F045EK07

(57)【要約】

【課題】処理容器内の処理対象に処理流体を供給して処理を行うにあたり、大掛かりな装置構成となることを防ぐと共に処理対象の各部における処理状態を制御する。
【解決手段】本開示の装置は、処理容器内に設けられ、半導体製造用基板またはＦＰＤ製造用基板載置するステージと、処理容器に処理流体を供給する流体供給源と、処理容器に複数設けられる有底有蓋の円筒状で金属製の共振器と、各共振器の中心軸に沿って伸びて当該共振器を貫通すると共に処理流体が供給される流体流路を形成するように誘電体によって構成される管体と、基板の異なる位置に向けて開口するように処理容器に設けられ、各々異なる流体流路に接続される複数の吐出孔と、互いに異なる共振器にマイクロ波を各々供給し、各流体流路における共振器に囲まれた活性化領域において処理流体を活性化させるために複数設けられるマイクロ波供給源と、を含む。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

半導体製造用基板またはフラットパネルディスプレイ製造用基板である基板を収納する処理容器と、
前記処理容器内に設けられ、前記基板を載置するステージと、
前記基板を処理するために前記処理容器に処理流体を供給する流体供給源と、
前記処理容器に複数設けられる有底有蓋の円筒状で金属製の共振器と、
前記各共振器の中心軸に沿って伸びて当該共振器を貫通すると共に前記処理流体が供給される流体流路を形成するように誘電体によって構成される管体と、
前記基板の異なる位置に向けて開口するように前記処理容器に設けられ、各々異なる前記流体流路に接続される複数の吐出孔と、
互いに異なる前記共振器にマイクロ波を各々供給し、前記各流体流路における前記共振器に囲まれた活性化領域において前記処理流体を活性化させるために複数設けられるマイクロ波供給源と、
を備える基板処理装置。

【請求項2】

前記共振器及びマイクロ波供給源は、前記処理容器の天井部に設けられる請求項１記載の基板処理装置。

【請求項3】

前記マイクロ波供給源は、前記共振器毎に設けられる請求項１または２記載の基板処理装置。

【請求項4】

前記処理容器において前記各流体流路の上流側に、当該各流体流路に共通の拡散空間が設けられ、前記流体供給源から当該拡散空間に前記処理流体が供給される請求項１または２記載の基板処理装置。

【請求項5】

前記マイクロ波により、前記活性化領域において前記処理流体がプラズマ化され、
前記処理流体のプラズマを構成するイオン及び電子のうちの一方を選択的に前記基板に供給するために、直流電圧が印加される電極が設けられる請求項１または２記載の基板処理装置。

【請求項6】

前記電極は前記管体における前記活性化領域の上流端側を塞ぐように設けられるリングであり、当該リングに設けられる孔は、前記流体供給源から供給された前記処理流体を、前記管体内の前記活性化領域に供給するための流路を形成する請求項５記載の基板処理装置。

【請求項7】

前記マイクロ波により、前記活性化領域において前記処理流体がプラズマ化され、
当該プラズマ化を行うために、当該活性化領域に電子を供給する電子供給部が設けられる請求項１または２記載の基板処理装置。

【請求項8】

前記電子供給部は、前記活性化領域よりも上流側に電界を形成し、前記処理流体から前記電子を発生させるための電極と、前記電界を形成するために当該電極に高周波を供給する高周波電源と、を含む請求項７記載の基板処理装置。

【請求項9】

前記電子供給部は、前記活性化領域を形成する前記管体の内壁に設けられ、前記マイクロ波によって加熱される金属部により構成される請求項７記載の基板処理装置。

【請求項10】

前記電子供給部は、前記活性化領域よりも上流側または当該活性化領域に光子を供給し、前記処理流体から電子を発生させる光子供給部である請求項７記載の基板処理装置。

【請求項11】

前記マイクロ波供給源とは別に、前記ステージ上にプラズマを形成するためのプラズマ形成機構が設けられる請求項１または２記載の基板処理装置。

【請求項12】

半導体製造用基板またはフラットパネルディスプレイ製造用基板である基板を収納して処理を行う処理容器内に供給される流体を活性化する流体活性化機構において、
前記流体を供給する流体供給源と、
複数設けられる有底有蓋の円筒状で金属製の共振器と、
前記各共振器の中心軸に沿って伸びて当該共振器を貫通すると共に前記流体供給源から前記流体が供給される流体流路を形成するように誘電体によって構成される管体と、
前記処理容器内の異なる位置に向けて開口するように当該処理容器に設けられ、各々異なる前記流体流路に接続される複数の吐出孔と、
互いに異なる前記共振器にマイクロ波を各々供給し、前記各流体流路における前記共振器に囲まれた活性化領域において前記流体を活性化させるために複数設けられるマイクロ波供給源と、
を備える流体活性化機構。

【請求項13】

処理容器に半導体製造用基板またはフラットパネルディスプレイ製造用基板である基板を収納し、処理容器内に設けられるステージに当該基板を載置する工程と、
前記基板を処理するために流体供給源から前記処理容器に処理流体を供給する工程と、
誘電体によって構成される管体によって形成され、前記処理容器に複数設けられる有底有蓋の円筒状で金属製の共振器の中心軸に沿って伸びて当該共振器を貫通する流体流路に前記処理流体を供給する工程と、
前記基板の異なる位置に向けて開口するように前記処理容器に設けられ、各々異なる前記流体流路に接続される複数の吐出孔から、前記基板に前記処理流体を吐出する工程と、
前記各流体流路における前記共振器に囲まれた活性化領域において前記処理流体を活性化させるために複数設けられるマイクロ波供給源により、互いに異なる前記共振器にマイクロ波を各々供給する工程と、
を備える基板処理方法。

【請求項14】

半導体製造用基板またはフラットパネルディスプレイ製造用基板である基板を収納して処理を行う処理容器内に供給される流体を活性化する流体活性化方法において、
誘電体によって構成される管体によって形成され、前記処理容器に複数設けられる有底有蓋の円筒状で金属製の共振器の中心軸に沿って伸びて当該共振器を貫通する流体流路に流体供給源から流体を供給する工程と、
前記処理容器内の異なる位置に向けて開口するように前記処理容器に設けられ、各々異なる前記流体流路に接続される複数の吐出孔から、前記基板に前記流体を吐出する工程と、
前記各流体流路における前記共振器に囲まれた活性化領域において前記流体を活性化させるために複数設けられるマイクロ波供給源により、互いに異なる前記共振器にマイクロ波を各々供給する工程と、
を備える流体活性化方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、基板処理装置、流体活性化装置、基板処理方法及び流体活性化方法に関する。

【背景技術】

【0002】

半導体デバイスの製造工程では、基板である半導体ウエハ（以下、ウエハと記載する）が、基板処理装置を構成する処理容器内に収納され、処理ガスが供給されることで成膜やエッチングなどの処理を受ける。その一方で、特許文献１にはマイクロ波を利用した加熱装置について示されている。この加熱装置は、円筒状の側壁と、当該側壁の軸方向両端に設けられる端部側壁（端壁）と、を備える金属製の空洞共振器を備えており、空洞共振器には円管が当該空洞共振器と同軸に設けられている。そして、円筒状側壁の軸方向の中間位置にマイクロ波導波管が接続されており、マイクロ波の供給によって反応管内の流体が加熱される。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特許第４７５９６６８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

本開示は、半導体製造用基板またはフラットパネルディスプレイ製造用基板である基板を収納する処理容器内の処理対象に流体を供給して処理を行うにあたり、大掛かりな装置構成となることを防ぐと共に、処理対象の各部における処理状態を制御す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】

【0005】

本開示の基板処理装置は、半導体製造用基板またはフラットパネルディスプレイ製造用基板である基板を収納する処理容器と、
前記処理容器内に設けられ、前記基板を載置するステージと、
前記基板を処理するために前記処理容器に処理流体を供給する流体供給源と、
前記処理容器に複数設けられる有底有蓋の円筒状で金属製の共振器と、
前記各共振器の中心軸に沿って伸びて当該共振器を貫通すると共に前記処理流体が供給される流体流路を形成するように誘電体によって構成される管体と、
前記基板の異なる位置に向けて開口するように前記処理容器に設けられ、各々異なる前記流体流路に接続される複数の吐出孔と、
互いに異なる前記共振器にマイクロ波を各々供給し、前記各流体流路における前記共振器に囲まれた活性化領域において前記処理流体を活性化させるために複数設けられるマイクロ波供給源と、
を備える。

【発明の効果】

【0006】

本開示によれば、半導体製造用基板またはフラットパネルディスプレイ製造用基板である基板を収納する処理容器内の処理対象に流体を供給して処理を行うにあたり、大掛かりな装置構成となることを防ぐと共に、処理対象の各部における処理状態を制御することができる。

【図面の簡単な説明】

【0007】

【図1】本開示の第１の実施形態である成膜装置の縦断側面図である。

【図2】前記成膜装置に設けられるマイクロ波リアクタの縦断側面図である。

【図3】前記マイクロ波リアクタの縦断斜視図である。

【図4】前記第１の実施形態の成膜装置における処理を示す説明図である

【図5】前記マイクロ波リアクタの他の構成を示す縦断側面図である。

【図6】本開示の第２の実施形態である成膜装置の縦断側面図である。

【図7】前記第２の実施形態の成膜装置における処理を示す説明図である

【図8】本開示の第３の実施形態である成膜装置の縦断側面図である。

【図9】前記第３の実施形態の成膜装置に設けられるマイクロ波リアクタの縦断側面図である。

【図10】本開示の第４の実施形態である成膜装置の縦断側面図である。

【図11】前記マイクロ波リアクタの他の構成を示す縦断側面図である。

【図12】電極及び高周波電源を含む電子供給部が適用されたマイクロ波リアクタの縦断側面図である。

【図13】電極及び高周波電源を含む電子供給部が適用されたマイクロ波リアクタの縦断側面図である。

【図14】電極及び高周波電源を含む電子供給部が適用されたマイクロ波リアクタの縦断側面図である。

【図15】電極及び高周波電源を含む電子供給部が適用されたマイクロ波リアクタの縦断側面図である。

【図16】他の構成の電子供給部が適用されたマイクロ波リアクタの縦断側面図である。

【図17】さらに他の構成の電子供給部が適用されたマイクロ波リアクタの縦断側面図である。

【図18】評価試験の装置構成を示す説明図である。

【図19】評価試験の結果を示すグラフ図である。

【図20】評価試験の装置構成を示す説明図である。

【図21】評価試験の結果を示すグラフ図である。

【図22】評価試験の装置構成を示す説明図である。

【図23】評価試験の結果を示すグラフ図である。

【発明を実施するための形態】

【0008】

（第１の実施形態）
本開示の基板処理装置の一実施形態である成膜装置１について、図１の縦断側面図を参照しながら説明する。成膜装置１は、円形の処理容器１１を備えている。処理容器１１の側壁には、ゲートバルブ１２により開閉自在なウエハＷの搬送口１３が形成されている。処理容器１１の例えば底部には排気口１４が開口しており、排気口１４は、排気管を介して排気機構１５に接続されている。排気機構１５は、真空ポンプ及び排気量を調整するためのバルブなどを含んでおり、当該排気機構１５によって処理容器１１内が所望の圧力の真空雰囲気となるように排気される。

【0009】

処理容器１１内にはウエハＷを水平に載置するステージ２１が設けられており、ステージ２１の内部には当該ウエハＷを加熱するヒーター２２が埋設されている。ステージ２１には昇降ピン（不図示）が設けられ、当該昇降ピンにより、搬送口１３を介して処理容器１１の内外を移動する図示しないウエハＷの搬送機構とステージ２１との間でウエハＷの受け渡しが行われる。

【0010】

続いて、処理容器１１の天井部について説明する。処理容器１１の天井部は、ウエハＷにガスをシャワー状に供給する平面視円形のシャワーヘッド２として構成されている。シャワーヘッド２の平面視の中心部にはガス導入路２３が垂直方向に形成されている。シャワーヘッド２には、ガス導入路２３にガスを供給するガス供給管２４の下流端が接続されており、ガス供給管２４の上流側は、流体供給源であるガス供給源２５に接続されている。ガス供給源２５は各種のガスを貯留する貯留部と、バルブやマスフローコントローラなどを備えており、各ガスを個別にガス供給管２４に供給する。そのように供給されるガスには、処理ガスである成膜ガスが含まれる。ガス供給管２４は、供給するガス種毎に設けてもよい。

【0011】

シャワーヘッド２は例えば平面視円形で扁平に形成されたガスの拡散空間２６を備えており、ガス導入路２３の下流端は当該拡散空間２６の上側の中心部に接続されている。そしてシャワーヘッド２において、拡散空間２６の下方には、当該拡散空間２６から供給されるガスをマイクロ波の作用によって活性化させるマイクロ波リアクタ３と、マイクロ波供給源４１との組が多数、水平方向に分散して配設されている。シャワーヘッド２の下面における各マイクロ波リアクタ３の下方位置に吐出孔２７が開口している。従って、吐出孔２７は処理容器１１内の異なる位置に向けて開口しており、当該吐出孔２７によってウエハＷの面内の異なる位置に、活性化されたガスが供給される。従って上記の拡散空間２６は、各吐出孔２７に共通して上流側に設けられた空間として構成されている。

【0012】

マイクロ波リアクタ３は、上記のようにガスを活性化させることができる。この活性化としては、加熱及びプラズマ化することが含まれる。以下、マイクロ波リアクタ３の構成について、図２の縦断側面図及び図３の縦断斜視図を参照しながら説明する。

【0013】

マイクロ波リアクタ３は、円形の共振器３１と、円管である反応管３５と、を備えている。共振器３１は金属製であり、有底、有蓋の円筒として構成されている。つまり、当該共振器３１は円筒をなす側周壁と、当該側周壁の一端部、他端部を各々塞ぐように設けられた２つの端壁と、を備えるように構成されている。なお、図３では二点鎖線で、切り欠かれた部分の共振器３１の外形を示している。その軸方向が垂直方向に沿うように共振器３１はシャワーヘッド２に設けられている。後述するようにマイクロ波は共振器３１の側周壁から供給され、共振器３１の各端壁は、当該マイクロ波のエネルギーを共振器３１に囲まれる領域に閉じ込める役割を有する。

【0014】

管体である反応管３５は誘電体例えば石英により構成されており、共振器３１を軸方向に貫通すると共に共振器３１と同軸に設けられている。反応管３５内はガス流路３６として構成される。従って当該ガス流路３６は共振器３１の中心軸に沿って伸び、当該共振器３１を貫通して設けられる。ガス流路３６の上端側は拡散空間２６に接続され、当該拡散空間２６からガスが供給される。ところで反応管３５の外周と共振器３１との間には環状の空間３２が設けられており、従って、この例では共振器３１はいわゆる空洞共振器として構成されている。ただし、後述するように空間３２が設けられることには限られない。

【0015】

共振器３１の側周壁において、共振器３１の軸方向の中間位置に突起３３が形成されており、当該突起３３に設けられたコネクタ３４を介して、共振器３１とマイクロ波供給源４１とが接続されている。従って、共振器３１毎にマイクロ波供給源４１が設けられており、共振器３１の近傍にマイクロ波供給源４１が位置している。マイクロ波供給源４１は電圧制御発振器（VCO：Voltage-controlled oscillator）及び当該発振器の動作を制御するための回路を含んでいる。

【0016】

共振器３１の大きさの一例を示しておくと、軸方向の長さＨ１は例えば５ｍｍ～１００ｍｍであり、外径Ｌ１は例えば２０ｍｍ～１００ｍｍである。また、マイクロ波供給源４１の各辺の長さのうちの最大の長さＬ２としては例えば１０ｍｍ～３００ｍｍであり、共振器３１の側周壁とマイクロ波供給源４１の距離Ｌ３は、例えば１ｍｍ～５０００ｍｍである。各マイクロ波供給源４１は、ケーブル４２を介して例えば処理容器１１の外部に設けられる電力供給部４３に接続されている。あるいはケーブル４２を用いず、共振器３１内に電力供給用のアンテナを設け、アンテナと電力供給部４３とを電気的に接続してもよい。電力供給部４３は、マイクロ波供給源４１毎に供給する電力を制御することができる。マイクロ波供給源４１を冷却する必要が有る場合は、空冷ファンや水冷チューブ（図示せず）などをシャワーヘッド２に設けてもよい。

【0017】

電力が供給されることでマイクロ波供給源４１から共振器３１にマイクロ波、即ち周波数が３００ＭＨｚ～３０ＧＨｚである電磁波が供給され、ＴＭ_０１０モードと呼ばれる電場分布が形成される。この電場の分布を図３に模式的に一点鎖線で示しており、当該分布によれば共振器３１内において反応管３５の外側に比べて反応管３５内におけるエネルギーが高くなる。つまり反応管３５内のガス流路３６のうちの共振器３１に囲まれた領域にエネルギーが集中し、ガス流路３６を通過するガスが高い効率で活性化される。そのようにガス流路３６において共振器３１に囲まれてガスが活性化される領域を、活性化領域３７として示している。

【0018】

電力供給部４３からマイクロ波供給源４１に供給される電力が大きいほど当該マイクロ波供給源４１から出力されるマイクロ波のパワーが大きく、活性化領域３７におけるガスの活性化量が大きい。つまり、マイクロ波リアクタ３から放出されるガスの活性度が高くなる。上記のようにマイクロ波供給源４１毎に供給される電力が制御されるので、各マイクロ波リアクタ３から吐出孔２７に供給されるガスの活性度が制御される。従って、ウエハＷの面内の各部に夫々所望の活性度の分布となるようにガスを供給することができる。この成膜装置１ではウエハＷの面内で均一性高い膜厚となるように成膜がなされるようにする。そのために例えば実験を予め行い、マイクロ波供給源４１毎に供給する電力の設定値を求めておく。その設定値で、各マイクロ波供給源４１に電力を供給し、ウエハＷに処理を行う。以上に述べた、マイクロ波リアクタ３を含むシャワーヘッド２、ガス供給管２４、ガス供給源２５及びマイクロ波供給源４１は、流体活性化機構を構成する。

【0019】

図１に示すように成膜装置１には、コンピュータによって構成される制御部１０が設けられており（図１参照）、制御部１０はプログラムを備えている。このプログラムには、制御部１０から成膜装置１の各部に制御信号を送り、後述する処理を実行することができるように命令（ステップ）が組み込まれている。具体的には、ステージ２１のヒーター２２によるウエハＷの加熱温度、電力供給部４３から各マイクロ波供給源４１への電力供給、排気機構１５の排気による処理容器１１内の圧力、ガス供給源２５からの各ガスの供給などが、上記のプログラムによって制御される。このプログラムは例えば、コンパクトディスク、ハードディスク、メモリーカード、ＤＶＤなどの記憶媒体に格納されて制御部１０にインストールされる 。また、制御部１０とは別に電力供給部４３の動作を制御するための制御装置（図示せず）を別途用意してもよい。

【0020】

成膜装置１の処理動作について、ＡＬＤ（Atomic layer Deposition）により、ウエハＷにＴｉＮ（窒化チタン）膜を成膜する場合の動作を例に挙げて説明する。このＴｉＮ膜の成膜のために、ガス供給源２５からは成膜ガスであるＴｉＣｌ_４（四塩化チタン）ガス及びＮＨ_３（アンモニア）ガスと、処理容器１１内をパージするためのパージガスであるＮ_２（窒素）ガスと、が供給されるものとする。

【0021】

搬送機構によってウエハＷが処理容器１１内に搬送され、ステージ２１に載置される。搬送機構が処理容器１１から退出すると、ゲートバルブ１２が閉鎖される。ヒーター２２によってステージ２１上のウエハＷは予め設定された温度となるように加熱され、ウエハＷの面内各部は概ね均一な温度となる。その一方で排気口１４からの排気により、処理容器１１内が予め設定された圧力の真空雰囲気となる。

【0022】

電力供給部４３から各マイクロ波供給源４１に、マイクロ波供給源４１毎に設定された電力が供給され、各マイクロ波供給源４１からそれに応じたパワーのマイクロ波が放射される。その一方で、ガス供給源２５からＴｉＣｌ_４ガスが供給され、拡散空間２６から各マイクロ波リアクタ３の反応管３５内のガス流路３６へ流れ、当該ガス流路３６の活性化領域３７にて加熱されて、吐出孔２７からウエハＷに吐出される。

【0023】

各マイクロ波リアクタ３にて個別に活性化されることで、各吐出孔２７から吐出されるＴｉＣｌ_４ガスには温度差を生じさせることができる。図４は成膜装置１の模式図である。この例ではステージ２１の周縁部の温度が中心部の温度よりも低かった場合に、ウエハＷの中心部に温度が低いＴｉＣｌ_４ガス、ウエハＷの周縁部に温度が高いＴｉＣｌ_４ガスが吐出されるものとして、各ガスの流れを異なる線種の矢印で示している。ヒーター２２の加熱によるウエハＷの面内各部における僅かな温度差が、ＴｉＣｌ_４ガスの温度分布によってキャンセルされ、ウエハＷの面内における温度の均一性がさらに高まる。その結果、ＴｉＣｌ_４ガスはウエハＷの面内各部に均一性高く吸着する。

【0024】

続いて、ガス供給源２５からのＴｉＣｌ_４ガスの供給が停止し、Ｎ_２ガスが供給される。各吐出孔２７から吐出された当該Ｎ_２ガスにより、処理容器１１内の余剰なＴｉＣｌ_４がパージされる。続いて、ガス供給源２５からＮＨ_３ガスが供給される。このＮＨ_３ガスについても、ＴｉＣｌ_４ガスと同様にマイクロ波リアクタ３で個別に活性化されてウエハＷに吐出され、ウエハＷの面内各部に温度の均一性が高く吸着する。この結果として、ウエハＷ表面に均一性高くＴｉＮの薄層が形成される。然る後、ガス供給源２５からシャワーヘッド２へのＮＨ_３ガスの供給が停止し、Ｎ_２ガスが供給される。そして、当該Ｎ_２ガスが吐出孔２７から吐出されて、処理容器１１内に残留するＮＨ_３ガスがパージされる。

【0025】

以降、上記したウエハＷへのＴｉＣｌ_４ガスの供給、パージ、ＮＨ_３ガスの供給、パージからなるサイクルが繰り返され、ＴｉＮの薄層が積層されてＴｉＮ膜となる。上記のようにＴｉＮ層はウエハＷの面内各部で均一性高く形成されることで、ウエハＷの面内各部におけるＴｉＮ膜の膜厚についてのばらつきが抑制される。ＴｉＮ膜が所望の厚さになると、上記のサイクルが停止し、ウエハＷは搬入時とは逆の動作で処理容器１１内から搬出される。なお、パージガスの供給時には、マイクロ波リアクタ３へのマイクロ波の供給を行ってもよいし、行わなくてもよい。

【0026】

成膜装置１によれば、ウエハＷの面内の異なる位置に成膜ガス（ＴｉＣｌ_４ガス及びＮＨ_３ガス）を供給するように多数のマイクロ波リアクタ３が設けられ、ウエハＷの面内各部に供給される成膜ガスをマイクロ波リアクタ３毎に設けたマイクロ波供給源４１により個別に活性化させる。このマイクロ波リアクタ３については、供給されるマイクロ波のエネルギーを反応管３５内の活性化領域３７に高い効率で集中させることができるので、その各部が例えば既述した大きさを有するように構成された、小型のものを用いることができる。そのため、上記のように多数を処理容器１１に設けることができる。従って、ウエハＷの各部において、成膜ガスとウエハＷとの反応性を個別に制御することができる。それ故に、上記したように例えばウエハＷの面内各部で均一性高い膜厚となるようにＴｉＮ膜を形成することができる。

【0027】

そのようにマイクロ波リアクタ３がエネルギーを高い効率で集中させることができるため、マイクロ波供給源４１についても高出力であるものを用いる必要が無いので、既述したような比較的小さい形状とすることができる。従って、マイクロ波供給源４１について、上記したようにマイクロ波リアクタ３と共に処理容器１１の天井部に設け、マイクロ波リアクタ３の近傍に配置することができる。

【0028】

ところで例えばマイクロ波リアクタ３及びマイクロ波供給源４１を設ける代りに、比較的高出力で大型のマイクロ波供給源を処理容器１１の外部に配置すると共にこのマイクロ波供給源からマイクロ波を、処理容器１１に設けられるガス流路に伝送して活性化させる装置構成とすることが考えられる。しかし、そのような構成とすれば、マイクロ波を処理容器外からガス流路に伝送するために装置に導波管を引き回すことになり、装置構成として大掛かりとなってしまう。従って上記の成膜装置１によれば、既述の構成の小型のマイクロ波リアクタ３を複数組み合わせることによって、そのような導波管の引き回しが不要となることで、装置構成が大掛かりなものとなることが防止されている。

【0029】

さらに、そのように導波管によって比較的遠くに位置する各マイクロ波リアクタ３に分配されるマイクロ波の強さを各々精度高く制御すること、例えば各マイクロ波リアクタ３に均等な強さでマイクロ波を分配することは難しい。つまり、導波管を引き回した装置構成では、ウエハＷの面内各部におけるウエハＷの処理を制御することが比較的難しい。従って、各マイクロ波供給源４１がマイクロ波リアクタ３の近傍に位置し、当該マイクロ波リアクタ３と共に処理容器１１の天井部に配置された成膜装置１の構成によれば、ウエハＷの面内各部における処理の制御性を高くすることができるという利点が有る。なお、既述した特許文献１には、空洞共振器を備えたマイクロ波の加熱装置により流体を加熱することは記載されているが、この加熱装置を複数設けた装置を構成することや基板処理装置に適用することは記載されていない。

【0030】

ところでマイクロ波リアクタ３については、反応管３５と共振器３１との間に空間３２が設けられるものとして説明したが、そのような構成とすることには限られない。図４に示す例では、反応管３５を囲むように例えばセラミックスなどの誘電体からなるリング部材３８が設けられており、このリング部材３８を外側から被覆するように共振器３１が形成されている。見方を変えれば既述の空間３２に、気体の代わりに誘電体が充填された構成となっている。誘電体であるリング部材３８の材質を適宜選定することで、当該リング部材３８の誘電率の調整を行うことができる。この誘電率の調整により、ガス流路３６に集中するエネルギーが変化する。つまりマイクロ波リアクタ３としては材質の選定を適切に行うことで、小型化を確実に行うこと、及びさらなる小型化を図ることができる。なお、図４の例では、反応管３５とリング部材３８とが互いに別体であるが、これらを同一の材質の誘電体として一体的に形成してもよい。

【0031】

また、共振器３１の側壁において軸方向の長さの中心部にマイクロ波供給源４１が接続され、当該中心部からマイクロ波が導入されるが、このマイクロ波の導入位置について軸方向の中心部からずれた位置であってもよい。ただし、活性化領域３７にてより高くエネルギーを集中させるためには、上記のように軸方向の長さの中心部にマイクロ波供給源４１が接続され、当該中心部からマイクロ波が導入されることが好ましい。

【0032】

上記の処理例では、マイクロ波リアクタ３の活性化領域３７にて成膜ガスがプラズマ化されずに加熱されるものとしたが、供給するマイクロ波のパワーを比較的高くして放電を発生させて、プラズマ化も行われるようにしてもよい。つまり各マイクロ波リアクタ３に個別のパワーでマイクロ波を供給し、異なる強度の成膜ガスのプラズマを各活性化領域３７に形成する。そのように異なる強度のプラズマの成分がウエハＷに供給されることで、ウエハＷの面内各部における各ガスとウエハＷとの反応が制御され、当該面内各部の膜厚の制御を行うことができる。なお、このようにマイクロ波リアクタ３でプラズマを形成する場合は、活性化領域３７はプラズマ形成領域に相当する。

【0033】

ところで、ウエハＷの面内各部で均一な膜厚分布となるようにマイクロ波リアクタ３におけるガスの活性化が制御されることには限られない。即ち、ウエハＷの面内各部で異なる膜厚となるように活性化量を制御してもよい。より具体的には例えば、ウエハＷの周縁部及び中心部のうちの一方の膜厚が、他方の膜厚よりも大きくなるように各マイクロ波リアクタ３によるガスの活性化が行われてもよい。

【0034】

ＴｉＣｌ_４ガスの供給とＮＨ_３ガスの供給とを交互に行うＡＬＤプロセスについて記載したが、ＴｉＣｌ_４ガスの供給とＮＨ３ガスの供給とを同時に行うＣＶＤプロセスによるＴｉＮ膜の成膜を行ってもよい。また、ウエハＷに行う処理としては成膜に限られず、マイクロ波リアクタ３にて処理ガスとしてエッチングガスを活性化させてウエハＷに供給することで、エッチングを行ってもよい。一例としては、ガス供給源２５からエッチングガスとしてＣｌＦ_３ガスを供給し、マイクロ波リアクタ３で活性化させてウエハＷに供給し、当該ウエハＷ表面のＳｉ膜をエッチングすることができる。このようにエッチングを行う場合においても、ウエハＷの面内各部でエッチング量が均一になるようにガスを活性化することに限られず、例えばウエハＷの周縁部及び中心部のうちの一方のエッチング量が、他方のエッチング量よりも大きくなるようにガスを活性化させてもよい。そのようにエッチングを行う場合、マイクロ波リアクタ３におけるガスの活性化としては、成膜を行う場合と同じく、加熱のみであってもよいし、プラズマ化を伴う活性化であってもよい。ところでＴｉＮ膜以外の成膜に成膜装置１を用いる例を説明しておく。ガス供給源２５からＳｉＨ_４（シラン）ガスをマイクロ波リアクタ３に供給し、当該ガスをマイクロ波リアクタ３で例えば４５０℃以下の温度になるように加熱することでＳｉ_２Ｈ_６（ジシラン）ガスを生成させる。そして、そのＳｉ_２Ｈ_６ガスがウエハＷに供給されることで、ＣＶＤによるアモルファスシリコン膜の成膜が行われるようにする。プラズマＣＶＤを実施可能な装置でアモルファスシリコン膜の成膜を行うにあたり、成膜原料ガスとしてＳｉＨ_４ガスよりもＳｉ_２Ｈ_６ガスを用いる方が、成膜レート（単位時間あたりの成膜量）が高くなると言われている。従って、上記のようにマイクロ波リアクタ３を用いてＳｉＨ_４ガスをＳｉ_２Ｈ_６ガスに変換してウエハＷに供給することで、成膜レートを高くすることができるため好ましい。以降に説明する各実施形態の装置についても、そのようなアモルファスシリコン膜の成膜に適用することができる。

【0035】

（第２の実施形態）
続いて第２の実施形態に係るプラズマ成膜装置５について、成膜装置１との差異点を中心に図６を参照して説明する。このプラズマ成膜装置５は成膜ガスの容量結合プラズマを形成し、当該プラズマにウエハＷを曝して成膜処理を行う。この容量結合プラズマは、マイクロ波リアクタ３によるプラズマとは別の機構により形成される。

【0036】

その一方で各マイクロ波リアクタ３へは、例えば処理ガスとしてプラズマ形成用ガスが供給され、各マイクロ波リアクタ３で個別の強度のプラズマが形成される。このプラズマの成分が、上記の容量結合プラズマに供給される。このマイクロ波リアクタ３からのプラズマ化したガスの供給により、容量結合プラズマの各部の強度分布が調整される。それによって、ウエハＷの面内各部における処理状態が制御され、膜厚分布が所望のものとされる。

【0037】

以下、プラズマ成膜装置５の具体的な構成について説明する。ステージ２１には、電極５１が埋設されており、シャワーヘッド２は、電極５１に対向する電極の役割も果たす。つまり電極５１とシャワーヘッド２とは、容量結合プラズマを形成するための平行平板電極を構成する。シャワーヘッド２には高周波電源５２が接続され、高周波電力が供給される。この高周波電源５２及び電極５１はプラズマ形成機構に相当する。

【0038】

マイクロ波リアクタ３については、第１の実施形態と同様に構成されており、図６ではケーブル４２及び電力供給部４３について、図示の複雑化を避けるために省略している。シャワーヘッド２においては、例えばマイクロ波リアクタ３及びマイクロ波供給源４１が設けられる領域の下方に、扁平で平面視円形のガスの拡散空間５４が設けられている。そして、拡散空間５４に接続される多数の吐出孔５５が、シャワーヘッド２の下面に分散して開口している。拡散空間５４の上部側の中心部には、シャワーヘッド２を上方へと伸びるように形成されるガス導入路５６の下流端が接続されている。当該ガス導入路５６の上流端はガス供給管５７の下流端に接続され、ガス供給管５７の上流端はガス供給源５８に接続されている。

【0039】

ガス供給源５８に接続される拡散空間５４、ガス導入路５６及び吐出孔５５からなる流路は、第１の実施形態で述べたガス供給源２５に接続されるシャワーヘッド２におけるガス導入路２３、拡散空間２６、マイクロ波リアクタ３及び吐出孔２７からなる流路に対して区画されている。従って、ガス供給源５８から供給されるガスと、ガス供給源２５から供給されるガスとはシャワーヘッド２内では混合されずに、当該シャワーヘッド２から吐出される。

【0040】

プラズマ成膜装置５の処理動作について、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）により、ウエハＷにＴｉ（チタン）膜を成膜する場合の動作を例に挙げて説明する。このＴｉ膜の成膜のために、ガス供給源２５からはプラズマ形成用のガスであるＡｒ（アルゴン）ガスが供給され、ガス供給源５８からはＡｒガス、成膜ガスであるＴｉＣｌ_４ガス及び還元ガスであるＨ_２ガスが供給されるものとする。

【0041】

成膜装置１による成膜処理時と同様にステージ２１のヒーター２２によりウエハＷが予め設定された温度に加熱されると共に、処理容器１１内が予め設定された圧力の真空雰囲気となる。そして、ガス供給源５８からＴｉＣｌ_４ガス、Ｈ_２ガス及びＡｒガスが供給され、これらのガスが図７中に点線の矢印で示すようにシャワーヘッド２の吐出孔５５から吐出されると共に、高周波電源５２から高周波電力がシャワーヘッド２に供給される。それにより、ウエハＷの全面に亘って上記した容量結合プラズマであるプラズマＰ１が形成され、プラズマＰ１とウエハＷとの反応が起きる。具体的には、ＴｉＣｌ_４のウエハＷへの堆積、ＴｉＣｌ_４の還元によるＴｉの生成が起きる。

【0042】

その一方で、ガス供給源２５から各マイクロ波リアクタ３にＡｒガスが供給されると共に共振器３１にマイクロ波が供給され、活性化領域３７にてプラズマＰ２が形成される。そして図７中に実線の矢印で示すように、吐出孔２７からプラズマＰ２の成分がプラズマＰ１に吐出され、上記したようにプラズマＰ１の各部の強度が調整される。そのように強度が調整されることで、ウエハＷの各部におけるプラズマＰ１とウエハＷとの反応性が制御され、上記したようにウエハＷの面内に所望の膜厚分布を形成することができる。このようにプラズマ成膜装置５についても、成膜装置１と同様にウエハＷの面内各部における処理状態を制御できる効果を奏する。また、マイクロ波リアクタ３を備えることで、成膜装置１と同様に装置が大掛かりなものとなることが防止される。

【0043】

この第２の実施形態で示すように、Ａｒガスのようなプラズマを形成するガスも処理ガスに含まれる。また、この第２の実施形態においても第１の実施形態と同様に成膜ガスの代わりにエッチングガスを供給してエッチングを行うことができる。つまり、エッチングガスによりプラズマＰ１を形成し、マイクロ波リアクタ３から供給するプラズマ化したガスにより、プラズマＰ１の強度分布を調整し、ウエハＷの面内各部のエッチング量を制御することができる。

【0044】

（第３の実施形態）
続いて第３の実施形態に係る成膜装置６について、第１の実施形態の成膜装置１との差異点を中心に図８を参照して説明する。この成膜装置６は、成膜装置１と同様にＡＬＤによってウエハＷにＴｉＮ膜を形成する。従って、成膜装置６において、ガス供給源２５からシャワーヘッド２に供給されるガスは、成膜装置１で供給される各ガスと同じである。ただしマイクロ波リアクタ３においては、ＴｉＣｌ_４ガス及びＮＨ_３ガスについてのプラズマ化が行われる。

【0045】

成膜装置６では、シャワーヘッド２の拡散空間２６における各反応管３５に重なる位置から下方に向けて多数の流路が伸びる。この流路を上流側流路６１とすると、上流側流路６１の下流端と反応管３５のガス流路３６の上流端とが、電極６２に形成された流路６３を介して互いに接続されている。電極６２には直流電源６４が接続されており、この例では電極６２はカソードとされる。なお、処理容器１１を介してシャワーヘッド２は接地されており、シャワーヘッド２の吐出孔２７の周壁はアノードとなる。直流電源６４は例えば図示しない電圧調整部を備え、電極６２毎に印加する電圧を制御することができる。

【0046】

図９も参照しながら当該電極６２の構成についてさらに説明する。電極６２は円形のリングであると共に、反応管３５の上端部内に設けられている。電極６２と反応管３５の内壁との間には絶縁体からなる筒部６５が介在しており、筒部６５の下端部に電極６２が固定されている。そして、筒部６５の上端部は外方へ広がり、共振器３１の上端壁に支持されるフランジとして形成されている。従って、筒部６５は電極６２の側周を囲み、当該電極６２と共振器３１との間を絶縁するように設けられており、電極６２は反応管３５において共振器３１に囲まれる活性化領域３７の上流端側を塞ぐように設けられている。電極６２の中心部に、当該電極６２を厚さ方向に貫通する小径の貫通孔が形成されており、当該貫通孔が上記の流路６３として構成される。

【0047】

成膜装置６では、成膜装置１と同様にＴｉＣｌ_４ガス及びＮＨ_３ガスの供給とパージとからなるサイクルが繰り返されてウエハＷに処理が行われる。このサイクルにおいて、各マイクロ波リアクタ３にＴｉＣｌ_４ガス、ＮＨ_３ガスが各々供給されるとき、反応管３５のガス流路３６の活性化領域３７にプラズマＰ２が形成されるように、各マイクロ波供給源４１から供給されるマイクロ波のパワーが制御される。

【0048】

そのようにＴｉＣｌ_４ガスまたはＮＨ_３ガスのプラズマＰ２の形成中に、各電極６２に直流電圧が印加される。プラズマＰ２を構成する電子Ｐ３は、そのように直流電圧が印加された電極６２と反発することで、活性化領域３７から吐出孔２７へ向けて押し出され、ウエハＷに供給される。また、プラズマＰ２を構成するラジカル（不図示）についても吐出孔２７からウエハＷに供給される。その一方で、プラズマＰ２を構成するイオンＰ４は電極６２に引き寄せられるため、ウエハＷへの供給が抑制される。従って、電子Ｐ３及びイオンＰ４のうち、電子Ｐ３が選択的にウエハＷに供給される。従って成膜装置６によれば、成膜装置１が奏する効果に加えて、イオンＰ４が持つ比較的大きなエネルギーがウエハＷ表面に供給されることが抑制されるので、ＴｉＮの膜質の向上を図ることができる利点が有る。

【0049】

（第４の実施形態）
続いて第４の実施形態に係るプラズマ成膜装置７について、第２の実施形態のプラズマ成膜装置５との差異点を中心に、図１０を参照して説明する。プラズマ成膜装置７においては、第３の実施形態の成膜装置６と同様に、拡散空間２６に上流側が接続される上流側流路６１の下流端と、反応管３５のガス流路３６の上流端とが、電極６２に形成された流路６３を介して互いに接続されている。電極６２は直流電源６４に接続され、カソードとされる。

【0050】

プラズマ成膜装置７では、プラズマ成膜装置５と同様にＡｒガス、ＴｉＣｌ_４ガス及びＨ_２ガスを、ガス供給源５８からウエハＷに供給して容量結合プラズマであるプラズマＰ１を形成する。その一方でマイクロ波リアクタ３ではガス供給源２５から供給されたＡｒガスによるプラズマＰ２が形成され、プラズマＰ１の強度分布が調整される。このプラズマＰ２の形成時に、第３の実施形態で述べたように電極６２に直流電圧が印加され、プラズマＰ２を構成するイオンは電極６２に引き込まれ、電子が選択的に吐出孔２７から吐出される。従って、プラズマ成膜装置７によれば、プラズマ成膜装置５が奏する効果に加え、イオンによるＴｉ膜の膜質の低下を抑制することができるという利点が有る。また、電極６２に印加される直流電圧に応じて、イオンの引き込み量が変化し、電極６２の下方のプラズマＰ１の強度を制御することができる。従ってプラズマ成膜装置７によれば、各マイクロ波リアクタ３に供給するマイクロ波のパワーに加え、各電極６２に印加する当該直流電圧によってもプラズマＰ１の強度の分布を制御できる。従って、より確実にウエハＷの面内各部における処理を制御できるため好ましい。

【0051】

図１１は、直流電圧が印加される電極６２が設けられるマイクロ波リアクタ３の他の構成例を示している。この例では絶縁体であるカバー６６が反応管３５の上端部を塞ぎ、共振器３１の上端面に支持されている。カバー６６は反応管３５内に陥入し、その陥入した部位の上側に重なるように電極６２が設けられている。従って、電極６２はカバー６６と共に反応管３５について、活性化領域３７の上流端側を塞ぐように設けられている。カバー６６には、電極６２の流路６３と重なる位置に貫通孔６７が設けられており、上流側流路６１から供給されるガスは、流路６３、貫通孔６７を介して反応管３５のガス流路３６に供給される。なお、電極６２としては反応管３５内に電界を形成できればよいので、この図１１及び図９で示したように、ガスの流路を形成する構成とすることには限られない。

【0052】

このように電極６２へのイオンの引き込みを行う第３及び第４の実施形態においても、第１及び第２の実施形態で述べたように成膜ガスの代わりにエッチングガスを供給することで、エッチング装置として装置を運用してもよい。また、第３及び第４の実施形態において、各電極６２に印加される直流電圧は電極６２間で同じとなるように装置を構成してもよいが、上記のように個別の値の直流電圧を印加できるようにすることでウエハＷの面内各部における処理を制御することができるため好ましい。

【0053】

また、電極６２についてはアノードとなるように直流電源６４に接続してもよい。従って、マイクロ波リアクタ３で発生したプラズマを構成する電子及びイオンのうち、イオンを選択的にウエハＷに供給するようにしてもよい。例えば第３及び第４の実施形態で装置をエッチング装置として運用する。その場合に、そのようにイオンを選択的に供給することで、例えばエッチング処理を行う場合にウエハＷに与えるエネルギーが大きくなるため、エッチングレートを高めて処理を早く完了することができる。

【0054】

なお、容量結合プラズマを形成する第２及び第４の実施形態において、高周波電源５２についてはシャワーヘッド２に接続される代わりにステージ２１の電極５１に接続されることで、容量結合プラズマが形成される構成としてもよい。また、ステージ２１とシャワーヘッド２との間に形成されるプラズマとしては、容量結合プラズマであることには限られない。例えばシャワーヘッド２にアンテナなどの導電部材を設けて高周波を供給することで、誘導結合プラズマが形成されるようにしてもよい。

【0055】

各マイクロ波供給源４１に供給する電力の分布は処理毎に不変としてもよい。ただし、例えば成膜処理を行うにあたり、ウエハＷへ処理を行う毎に処理容器１１の内壁に付着する膜の厚さが変化し、処理容器１１内の環境が変化する。その環境の変化の影響をキャンセルするために、処理毎に各マイクロ波供給源４１へ供給する電力の分布を変更してもよい。

【0056】

また、１つのマイクロ波リアクタ３に対して１つのマイクロ波供給源４１を設けることには限られない。複数のマイクロ波リアクタ３に１つのマイクロ波供給源４１を接続し、この複数のマイクロ波リアクタ３及び１つのマイクロ波供給源４１からなる組を、複数設けてもよい。さらに、マイクロ波リアクタ３及びマイクロ波供給源４１の組は、処理容器１１の天井部に設けることには限られない。例えばこれらの組を処理容器１１の側壁に設け、この側壁からシャワーヘッド２に至るガス流路を介して、活性化されたガスがウエハＷの面内各部に供給されるような構成であってもよい。

【0057】

ところで、マイクロ波リアクタ３の活性化領域３７にて放電を発生させてプラズマを形成するにあたり、マイクロ波リアクタ３に供給されるガス種や処理容器１１内の圧力によっては、比較的大きなマイクロ波のパワーを要する場合が有る。即ち、プラズマを形成することができるパワーの範囲が狭い場合が有る。マイクロ波のパワーが比較的低くても活性化領域３７にてプラズマが形成されるように、当該活性化領域３７にプラズマの形成を誘発させるための電子を供給する電子供給部を設けることができる。そのようにマイクロ波のパワーが比較的低くてもプラズマの形成を行うことができることは、反応管３５に供給するガス流量や反応管３５内の圧力などの各種のパラメータについての設定可能な範囲を広げたり、使用するガスの選択の幅を広げたりできるということである。

【0058】

上記の電子供給部は、既述した各実施形態の装置に適用することができる。以下、電子供給部の例を具体的に説明する。なお、以下に述べる図１２～図１７における実線の矢印は、反応管３５に供給される処理ガスの流れを示している。図１２の構成例では、反応管３５の外周に電極７１が設けられている。より詳しくは電極７１は、反応管３５において活性化領域３７に対して上流側の流路を形成する部位を囲むように設けられている。この電極７１と共振器３１とに高周波電源７２が接続されている。高周波電源７２及び電極７１により、電子供給部が構成される。

【0059】

反応管３５に処理ガスが供給されているときに、高周波電源７２により電極７１に高周波が供給され、反応管３５のガス流路３６において電極７１に囲まれる部位に電界が形成されて放電が起こり、プラズマＰ５が形成される。なお、以降は説明の便宜上、このように活性化領域３７よりも上流側における放電、プラズマを、夫々予備放電、予備放電プラズマと記載する場合が有る。この予備放電プラズマＰ５を構成する電子７０が、活性化領域３７へ供給される。

【0060】

上記の高周波電源７２からの高周波の供給に並行して、既述の各実施形態で述べたようにマイクロ波リアクタ３へのマイクロ波の供給が行われる。マイクロ波により活性化領域３７内での処理ガスのエネルギーが高まった状態で、電子７０が当該活性化領域３７に供給されることで、放電が誘発されて処理ガスがプラズマ化する。つまり、予備放電プラズマＰ５よりも高い強度のプラズマ（説明の便宜上、主プラズマと記載する場合が有る）が形成され、当該主プラズマを構成する成分が吐出孔２７から吐出されてウエハＷに処理が行われる。高周波電源７２は各マイクロ波リアクタ３に共用としてもよいし、各マイクロ波リアクタ３について個別の高周波電源７２を設けてもよい。

【0061】

図１３は、予備放電プラズマＰ５を形成する他の構成例を示している。この図１３の例では、反応管３５の外周に電極７１の代わりに電極７３、７４が設けられており、高周波電源７２と共に電子供給部を構成する。電極７３、７４は、反応管３５において活性化領域３７よりも上流側の流路を形成する部位を挟むように設けられ、高周波電源７２に各々接続されており、電極７３、７４及び高周波電源７２が、電子供給部を構成する。高周波電源７２からの高周波の供給により、反応管３５のガス流路３６の電極７３、７４に挟まれる領域に電界が形成されて予備放電が起こり、予備放電プラズマＰ５が形成される。この予備放電プラズマＰ５の電子７０により、活性化領域３７に主プラズマが形成される。

【0062】

続いて、予備放電を発生させる他の構成例を図１４に示す。この図１４に示す例では、反応管３５内に針状の電極７５が設けられている。電極７１の代わりに電極７５が設けられることを除いて、この図１４の例は図１２で説明した例と同様の構成である。従って、高周波電源７２は電極７５と共振器３１とに接続されており、電極７５の周囲にて予備放電が発生し、電子７０が活性化領域３７に供給される。また、図１５に示す例では、反応管３５内に針状の電極７８、７９が設けられている。電極７３、７４の代わりに電極７８、７９が、反応管３５内の活性化領域３７よりも上流側に設けられることを除いて、この図１５の例は図１３で説明した例と同様の構成である。従って、高周波電源７２は電極７８、７９に各々接続されており、電極７８、７９間で予備放電が発生し、電子７０が活性化領域３７に供給される。

【0063】

ところで、電子供給部としては予備放電を発生させるものには限られず、また活性化領域３７よりも上流側にて電子７０を発生させる構成であることにも限られない。図１６では反応管３５の内壁の活性化領域３７を形成する部位に、電子供給部として金属片（金属部）８１が設けられた例を示している。マイクロ波供給源４１からのマイクロ波の供給により金属片８１が加熱されて電子７０を放出し、活性化領域３７にプラズマが形成される。従って金属片８１は熱電子の供給源であり、そのように熱電子の放出が行われやすい金属、例えばタングステンなどにより構成される。

【0064】

また、図１７に示した例では電子供給部として、光子供給部であるＵＶ（ultra violet）ランプ８２が、反応管３５の外側に設けられている。ＵＶランプ８２から照射された、高エネルギーの光子を含む紫外線８３が、反応管３５を透過して活性化領域３７に供給され、処理ガスの分子が励起されて電子７０が発生し、プラズマが形成される。なお、紫外線８３を照射して電子７０を発生させる領域としては、活性化領域３７よりも上流側であってもよい。

【0065】

図１７ではＵＶランプ８２がマイクロ波リアクタ３の近傍に位置するように示しているが、そのように配置することには限られない。例えばマイクロ波リアクタ３から比較的遠くに離れた処理容器１１の天板上にＵＶランプ８２を設け、光ファイバーなどの導光部材を介して活性化領域３７やその近傍の上流側に紫外線８３を照射してもよい。また、高エネルギーの光子を供給できればよいため、紫外線の代わりにＸ線、γ線などを供給してもよい。つまり光子供給部としては、共振器３１に供給されるマイクロ波とは波長が異なる電磁波を供給して、電子を発生させるものを用いることができる。

【0066】

なお、上記した各電子供給部により活性化領域３７の上流側で電子を発生させる場合、反応管３５内、即ち誘電体によって囲まれる流路にて電子を発生させることには限られない。その他、活性化領域３７にてプラズマ形成を容易にするための構成例として、反応管３５内に例えばセラミックである誘電体部材を設けることが挙げられる。この誘電体部材は反応管３５内を活性化領域３７に向かって突出するように配置されて、電界分布に影響を与えるように例えば棒状に構成される。本構成については後に評価試験の説明と共に、さらに説明する。

【0067】

また、これまでに述べた装置で、基板としてはウエハＷを処理するものとして述べてきたが、処理される基板としては、半導体製造用基板あるいはフラットパネルディスプレイ製造用基板である。半導体製造用基板はウエハＷの他に、半導体製造工程で用いられる基板を含む。フラットパネルディスプレイ（ＦＰＤ）製造用基板としては、液晶ディスプレイ、プラズマディスプレイ、有機ＥＬディスプレイ、フィールドエミッションディスプレイあるいは電子ペーパである各種のＦＰＤ、及び当該ＦＰＤの製造工程で用いられる基板を含む。半導体製造工程で用いられる基板、ＦＰＤ製造工程で用いられる基板は、夫々の製造工程中の露光処理に用いられるフォトマスクである基板、及び基板処理装置におけるテストや処理パラメータ設定を目的として処理がなされるダミー基板を含む。

【0068】

ところで共振器３１の側壁にマイクロ波が導入されるとして説明してきたが、そのように側壁から導入されることには限られない。即ち、共振器３１の底部をなす端壁あるいは蓋部をなす端壁にマイクロ波供給源４１を接続し、いずれかの端壁からマイクロ波が導入されて、ガス流路３６のうち共振器３１に囲まれる領域にてガスの活性化が行われるようにしてもよい。

【0069】

マイクロ波リアクタ３についてはガス供給源２５から供給されたガスを活性化するものとして述べてきたがそのような構成とすることには限られず、液体供給源からマイクロ波リアクタ３に液体が供給され、当該液体が活性化されて処理容器１１内の基板に供給されて処理が行われるようにしてもよい。例えば液体供給源からマイクロ波リアクタ３に至る流路を加熱する加熱機構を設ける。上記の液体については当該加熱機構により加熱されることで、例えばミストの状態でマイクロ波リアクタ３に供給され、当該マイクロ波リアクタ3にて活性化される装置構成とすることができる。そのミストは、マイクロ波リアクタ３での活性化により、ガスあるいはプラズマとなって基板に供給されてもよいし、ミストのまま、活性化により温度が上昇した状態で基板に供給されてもよい。

【0070】

また、マイクロ波リアクタ３では基板に供給されて処理を行う処理流体（液体及びガス）を活性化するものとして説明してきたが、そのように基板を処理する処理流体を活性化することには限られない。例えば処理容器１１内に、既述した半導体製造用基板及びＦＰＤ製造用基板が収納されていない状態で、ガス供給源２５からクリーニングガスを供給し、マイクロ波リアクタ３で活性化させて処理容器１１内に供給する。その活性化させたクリーニングガスにより、処理容器１１内の壁面やステージ２１などの装置の構成部材をクリーニングするようにしてもよい。なお、このように処理容器１１内の各部をクリーニングするにあたってもウエハＷを処理する場合と同様に、処理対象（この場合は処理容器11内の各部）へ供給されるガスを個別に活性化させることができる。そのため、処理容器11内での異物の堆積が多く見込まれる箇所などはガスの活性化の度合を大きくしつつ、他の箇所ではガスの活性化の度合を抑えることで、消費電力を抑えつつ確実なクリーニングを行うことができる。以上のように、活性化される流体としては基板を処理する処理流体以外の流体が含まれ、この流体の供給先としては半導体製造用基板及びＦＰＤ製造用基板が収納されて処理が行われる処理容器内であればよく、流体による処理対象としては基板以外のものが含まれる。

【0071】

なお、今回開示された実施形態は、全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、添付の特許請求の範囲及びその趣旨を逸脱することなく、様々な形態で省略、置換、変更及び組み合わせがなされてもよい。

【0072】

（評価試験）
本技術に関連する評価試験について説明する。評価試験１では、図１８に示すように反応管３５の上流側、下流側に夫々共振器３１が設けられ、各共振器３１に各々マイクロ波供給源４１からマイクロ波が供給されるように装置を構成した。説明の便宜上、上流側の共振器、下流側の共振器を３１Ａ、３１Ｂとする。上流側の共振器３１Ａは上記した予備放電プラズマＰ５の形成用の共振器であり、下流側の共振器３１Ｂは主プラズマの形成用の共振器である。

【0073】

この評価試験１では、共振器３１Ａによる予備放電プラズマＰ５の有無による、共振器３１Ｂにおける放電を起こすことが可能なマイクロ波のパワーの違いを調べるために、当該パワーの測定を行った。このパワーの測定は反応管３５内の圧力を０ｋＰａより高く１５Ｐａより低い範囲内で変化させ、当該圧力が異なる条件下で行った。予備放電プラズマＰ５を形成せずに行った測定を評価試験１－１とし、予備放電プラズマＰ５を形成して行った測定を評価試験１－２とする。測定条件として、反応管３５へはＡｒガスを３０ｓｃｃｍで供給した。そして、評価試験１－２では、反応管３５内のガス流路３６の圧力を１．４８ｋＰａにした状態で放電を発生させ、その後、マイクロ波のパワーを５０Ｗに設定して共振器３１Ａの活性化領域３７における放電を維持した。

【0074】

図１９はこの評価試験１の結果を示すグラフである。グラフの横軸、縦軸は、夫々反応管３５内の圧力（単位：ｋＰａ）、マイクロ波のパワー（単位：Ｗ）を示している。グラフ中に評価試験１－１の結果を角形の点で、評価試験１－２の結果を円形の点で夫々示している。また、それら角形及び円形の点について、白抜きの点は測定値を示し、黒く塗りつぶした点は複数の測定値から算出された平均値を示している。

【0075】

グラフから明らかなように各圧力下において、評価試験１－１に比べて評価試験１－２の方が、放電が開始されるマイクロ波のパワーが小さい。従って、既述した電子供給部を設けることで、活性化領域３７にてプラズマを形成するために必要な電力を小さくすることができる。既述したように、これは活性化領域３７にプラズマを形成し得るためのガス流量や圧力などの各種の条件のパラメータについて、設定可能な範囲を広げられることでもある。さらにグラフに示されるように、評価試験１－１に比べると評価試験１－２の方が、測定値のばらつきが小さい。従ってこの評価試験１からは、電子供給部を設けることで放電を開始する電力の安定性も上昇することが確認された。

【0076】

（評価試験２-省スペース化）
本技術に関連するもう一つの評価試験である評価試験２について説明する。この評価試験２で用いた評価装置を図２０に示す。この評価装置はマイクロ波リアクタ３をアレイ状に配置するために小型化を行う目的で、共振器３１内に誘電体３８として比誘電率９の酸化アルミニウムを充填したものである。これにより必要な共振器３１の内径について、評価試験１で用いた装置では９１ｍｍであったが、本評価試験２の評価装置では４５ｍｍであり、マイクロ波リアクタ３の小型化がなされている。また本評価装置では、プラズマ形成を容易にするため予備放電プラズマＰ５を用いることに代り、セラミックからなる棒Ａ３を反応管３５内に挿入した。棒Ａ３はガス流路３６において誘電体３８に囲まれる領域の上流側に設けられ、当該棒Ａ３の下端部については活性化領域３７に進入するが、誘電体３８に囲まれる領域には進入しない配置とした。比較的細いセラミックの棒Ａ３の下端面では電界分布が歪み、部分的な強電界部が形成されるため、プラズマが形成されやすくなる。また、マイクロ波の給電は同軸ケーブルＡ１を介し、共振器３１内に設置したループアンテナＡ２により行った。

【0077】

図２１は反応管３５内を真空ポンプで減圧にしながら、上部よりＡｒガスを８ｓｃｃｍ、２３ｓｃｃｍ、４７ｓｃｃｍの各条件で供給しながら、放電を発生させたときの放電開始に必要なマイクロ波電力（共振器３へ供給する電力）をプロットして示すグラフである。グラフ中にＡｒガスの供給量が８ｓｃｃｍ、２３ｓｃｃｍ、４７ｓｃｃｍの結果を夫々四角形の点、円形の点、三角形の点で示している。また、それらの点について、白抜きの点は測定値を示し、黒く塗りつぶした点は複数の測定値から算出された平均値を示している。供給するマイクロ波周波数は、共振器３１内にＴＭ０１０モードの定在波が形成できる共振周波数となる、２．４７ＧＨｚとした。グラフに示されるように、この評価試験２では最大１００Ｗのマイクロ波照射条件（グラフ中に点線で表示）で、０．８Ｐａ～３．５Ｐａの範囲にて活性化領域３７にプラズマを形成することができている。マイクロ波電力や供給ガス流量を変えること、予備放電プラズマの併用により、さらに広範囲の領域でプラズマの形成が可能である。また、供給するガス種がヘリウム、窒素、酸素である場合においてもプラズマの形成について同様の傾向を確認しており、活性化領域３７で生成したい化学反応種に応じて供給ガスを選択することができる。

【0078】

誘電体３８として、比誘電率４０のセラミックを用いた場合、共振器３１の内径を２２ｍｍとすることができ、共振器３１を並べて配置したところ、反応管３５の間隔を２５ｍｍで設置することができた。

【0079】

（評価試験３-成膜装置への取り付け）
成膜装置へマイクロ波リアクタ３を取り付けて行った評価試験３について説明する。マイクロ波リアクタ３には内径９１ｍｍ、高さ１０ｍｍの共振器３１を用いた。評価試験３では図２２に示すように、マイクロ波リアクタ３を処理容器１１の上部に取り付け、内径８ｍｍの石英製の反応管３５から噴出するプラズマガスが、ウエハＷに吹き付けられる構成とした。処理容器１１に設けられた排気口１４にはバルブ、ターボ分子ポンプ及びロータリーポンプから構成される排気機構１５を接続した。処理容器１１内の圧力を１０^－２Ｐａの真空度に維持した後、反応管３５上部からＡｒガスを７ｓｃｃｍ～４７ｓｃｃｍで供給したところ、当該反応管３５内の圧力は０．３１ｋＰａ～０．３７ｋＰａの範囲で調整可能であった。この状態でＴＭ０１０モードの共振周波数に一致する２．４９ＧＨｚのマイクロ波を同軸ケーブルＡ１から給電したところ、反応管３５内にプラズマを形成できることを確認した。プラズマ形成時には、吐出孔２７からは電離状体のＡｒ原子が噴出されており、ウエハＷ表面に到達している。反応管３５内の圧力に対し、プラズマが形成されるマイクロ波電力をプロットしたものを図２３に示す。実験の範囲では圧力の上昇に伴い、必要なマイクロ波電力は減少している。なお、Ａｒガスの供給量を増すなどして、反応管３５内の圧力を上昇させれば、図１９に示すように放電開始電力は上昇に転じると推測できる。

【符号の説明】

【0080】

１ 成膜装置
２１ ステージ
２５ ガス供給源
３１ 共振器
２７ 吐出孔
４１ マイクロ波供給源

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】

【図19】

【図20】

【図21】

【図22】

【図23】