JP5475261B2 - プラズマ処理装置 - Google Patents

Description

本発明は、半導体ウエハ等の被処理体にプラズマ処理を施すためのプラズマ処理装置に関する。

半導体デバイスの製造工程においては、被処理体である半導体ウエハに対してエッチング、アッシング、成膜等の種々のプロセスが行われている。これらの処理には真空雰囲気に保持可能な処理容器内で半導体ウエハにプラズマ処理を施すプラズマ処理装置が用いられている。プラズマ処理装置においては、処理容器の内壁はアルミニウム等の金属で形成されている。そのため、強いプラズマに曝されると、内壁面がプラズマにより削られてパーティクルが発生し、アルミニウム等によるメタルコンタミネーションが発生し、デバイスに悪影響を与えてしまう。

このような問題を解決するため、平面アンテナにより処理容器内にマイクロ波を導入してプラズマを生成させるＲＬＳＡマイクロ波プラズマ方式のプラズマ処理装置において、処理容器内でプラズマに曝される部位をシリコンでコーティングする技術が提案されている（例えば、特許文献１）。

ところで、近年、半導体ウエハの大型化と、デバイスの微細化が進展しつつあるが、これらに対応して、プラズマ処理の効率性（例えば成膜レート）とウエハ面内での処理の均一性を改善することが求められている。そのために、プラズマ処理装置の処理容器内で半導体ウエハを載置する載置台内に埋設された電極に高周波電力を供給して、半導体ウエハにバイアスを印加しながらプラズマ処理を行う方法が、プラズマ酸化処理に代表される成膜プロセスにおいても着目されている。

載置台の電極に高周波電力を供給する場合、プラズマ処理空間を隔てて処理容器内に対向する電極（対向電極）を設けることが必要である。対向電極の材質としては導電性の金属が望ましいが、プラズマ酸化プロセスでは、対向電極付近で強い酸化作用を持つプラズマが生成されるため、対向電極の表面が酸化されて劣化し、金属汚染やパーティクル発生原因となる。このような問題点に対して、対向電極の表面をアルミナやイットリア酸化物などの金属酸化物で被覆することにより耐久性を向上させることができる。しかし、上記金属酸化物で対向電極を被覆した場合、抵抗率および誘電率が高いので絶縁性には優れるが、プラズマの生成とともに表面電位が上昇し、対向電極とプラズマとの間の電位差が大きくなるためにシースが形成され、プラズマのスパッタ作用を受けやすくなり、被覆部位の劣化が進みやすいという問題がある。また、対向電極のスパッタを抑制するには、対向電極の面積を下部電極に比較して大きくすることが好ましいが、プラズマに接する対向電極の面積が増え、金属コンタミネーションを増加させる可能性も高くなってしまう。また、特許文献１のようなＲＬＳＡマイクロ波プラズマ方式のプラズマ処理装置では、処理容器の上部にマイクロ波導入部が配置されるため、平行平板方式などのプラズマ処理装置と違って対向電極の面積を大きくすることは、装置構成上の制約からも困難である。

また、通常、載置台内の電極にバイアス用の高周波電力を供給すると、この載置台からプラズマ処理空間を介して対向電極へ、さらに対向電極から処理容器の壁等を介してバイアス用の高周波電源のアースへ、と戻る高周波電流の経路（ＲＦリターン回路）が形成される。このような高周波電流の経路が安定して形成されない場合、高周波電力の電力消費効率が低下する。また、高周波電流経路の途中で短絡や異常放電が生じると、プロセス効率が低下したり、プロセスの安定化を図ることができない、という問題が生じる。例えば、載置台からプラズマ処理空間を介して対向電極へ向かうべき高周波電力が、より近接した位置にある処理容器の側壁等に向かう短絡が生じると、高周波電力の電力消費効率が低下するとともに、プロセス効率が低下する。また、例えば対向電極の損傷を防ぐ目的で、金属酸化物で対向電極を被覆する場合、前記のとおり被覆された部位の表面電位が上昇しやすくなるため、スパッタ作用が強まるだけでなく、この部位での異常放電が発生しやすくなるという懸念がある。

特開２００７−２５０５６９号

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、被処理体を載置する載置台の電極にバイアス用の高周波電力を供給する方式のプラズマ処理装置において、高周波電流の経路を適正化して電力消費効率を向上させるとともに、異常放電を防止してプロセスの効率化を図ることを目的とする。

本発明のプラズマ処理装置は、
プラズマを用いて被処理体を処理する上部が開口した処理容器と、
前記処理容器内に処理ガスを供給するガス供給機構と、
前記処理容器内を減圧排気する排気機構と、
前記処理容器内で被処理体を載置する載置台と、
前記載置台に埋設され、被処理体にバイアスを印加するための第１の電極と、
少なくともその一部が前記処理容器内のプラズマの生成領域に臨むように配置され、前記第１の電極に対してプラズマ処理空間を隔てて形成された導電性部材からなる第２の電極と、
前記第２の電極に支持されて前記処理容器の前記開口を塞ぐとともにマイクロ波を透過する誘電体板と、
前記誘導体板の上方に設けられ、導波管を介してマイクロ波発生装置に接続されて前記処理容器内にマイクロ波を導入する平面アンテナと、
を備えたプラズマ処理装置であって、
前記プラズマの生成領域に臨む部分の前記第２の電極の表面にシリコンをコーティングしてなる保護膜を設けるとともに、前記処理容器の上部の内壁に沿って第１の絶縁板を設け、該第１の絶縁板に隣接して前記処理容器の下部の内壁に沿って第２の絶縁板を設けたことを特徴とする。

本発明のプラズマ処理装置は、前記第１の絶縁板の厚みに比べ、前記第２の絶縁板の厚みが大きく形成されていることが好ましい。

また、本発明のプラズマ処理装置において、前記第２の絶縁板は、前記第１の電極が埋設された載置台の高さより低い高さ位置の前記処理容器の内壁の少なくとも一部を覆っていることが好ましい。この場合、前記第２の絶縁板は、前記処理容器の下部に連設された排気室に達する位置まで形成されていることが好ましい。

また、本発明のプラズマ処理装置において、前記処理容器は、第１の容器と、該第１の容器の上端面に接合される第２の容器と、を有し、前記第１の容器と前記第２の容器との間には、前記ガス供給機構から前記処理容器内に供給される前記処理ガスのガス通路が形成されており、該ガス通路を挟んでその両側には、第１のシール部材と第２のシール部材とが二重に設けられているとともに、前記処理容器の内部に近い側の前記第１のシール部材の配設部位では前記第１の容器と前記第２の容器とが当接しており、前記処理容器の外部に近い側の前記第２のシール部材の配設部位では前記第１の容器と前記第２の容器との間に隙間が形成されていることが好ましい。この場合、前記ガス通路は、前記第１の容器の上端面と前記第２の容器の下端面にそれぞれ設けられた段差によって形成されていることが好ましい。

また、本発明のプラズマ処理装置は、被処理体にプラズマ酸化処理を施すプラズマ酸化処理装置として構成され、前記シリコンの保護膜が前記プラズマの酸化作用により酸化されて二酸化珪素膜に改質されていることが好ましい。

また、本発明のプラズマ処理装置において、前記誘電体板、前記第１の絶縁板および前記第２の絶縁板が石英から構成されていることが好ましい。

本発明のプラズマ処理装置によれば、バイアス用の高周波電力を供給する載置台の電極に対向する第２の電極（対向電極）の表面にシリコンの保護膜を設け、この保護膜に隣接して第１の絶縁板を設け、この第１の絶縁板に連なって第２の絶縁板を設ける構成とした。シリコンをコーティングしてなる保護膜は、シリコンが導電性を有することから、載置台からプラズマ処理空間を隔てて第２の電極へと流れる適正な高周波電流経路を形成しやすくして他の部位における短絡や異常放電を抑制すると同時に、金属性の第２の電極の表面を保護して耐久性を向上させる効果を奏する。しかも、保護膜に用いられるシリコンは酸化されても誘電率と抵抗率の積が小さい二酸化珪素になるため、表面電位の上昇が少なく、プラズマのスパッタ作用を受けにくく、かつ異常放電を生じにくい性質を持つことから、第２の電極をプラズマから長期間保護できる。

また、第２の電極へ流れた高周波電流は、処理容器の側壁を伝って処理容器の下部へ導かれるが、第１の絶縁板および第２の絶縁板により載置台から直接処理容器の側壁への異常放電が抑制されるので、適正な高周波電流経路をさらに維持しやすくなる。このため、バイアス用の高周波電力の電力消費効率を改善できるとともに、異常放電によるプロセスへの悪影響を回避して安定したプラズマ処理が可能になる、という効果を奏する。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。図１は、本発明のプラズマ処理装置の一実施の形態にかかるプラズマ酸化処理装置１００の概略構成を模式的に示す断面図である。また、図２は、図１の要部を拡大して示す断面図である。また、図３は、図１のプラズマ酸化処理装置１００の平面アンテナを示す平面図である。

プラズマ酸化処理装置１００は、複数のスロット状の孔を有する平面アンテナ、特にＲＬＳＡ（Ｒａｄｉａｌ Ｌｉｎｅ Ｓｌｏｔ Ａｎｔｅｎｎａ；ラジアルラインスロットアンテナ）にて直接処理容器内にマイクロ波を導入して処理容器内で高密度かつ低電子温度のマイクロ波励起プラズマを発生させ得るＲＬＳＡマイクロ波プラズマ処理装置として構成されている。プラズマ酸化処理装置１００では、１×１０^１０〜５×１０^１２／ｃｍ^３のプラズマ密度で、かつ０．７〜２ｅＶの低電子温度を有するプラズマによる処理が可能である。従って、プラズマ酸化処理装置１００は、各種半導体装置の製造過程において、例えば被処理体のシリコンを酸化してシリコン酸化膜（例えばＳｉＯ_２膜）を形成する目的で好適に利用できる。

プラズマ酸化処理装置１００は、気密に構成され、半導体ウエハ（以下、単に「ウエハ」と記す）Ｗが搬入されるための接地された略円筒状の処理容器１を有している。この処理容器１は、アルミニウムもしくはその合金、またはステンレス鋼等の金属材料からなり、その下部を構成し、その内側に第１の壁部を有する第１の容器２と、その上に配置され、その内側に第２の壁部を有する第２の容器３とを含む構成となっている。第１の容器２、第２の容器３は一体でもよい。また、処理容器１の上部には、処理空間にマイクロ波を導入するためのマイクロ波導入部２６が開閉可能に設けられている。つまり、第２の容器３の上端部にはマイクロ波導入部２６が係合し、第２の容器３の下端部は、第１の容器２の上端部と接合するようになっている。なお、第２の容器３には、複数の冷却水流路３ａが形成されて第２の容器３の壁を冷却できるようになっている。従って、プラズマの熱による熱膨張によって接合部位の位置ずれやプラズマダメージが生じることを抑制し、シール性低下やパーティクルの発生が防止されている。

第１の容器２内には被処理体であるウエハＷを水平に支持するための載置台５が、排気室１１の底部中央から上方に延びる円筒状の支持部４により支持された状態で設けられている。載置台５および支持部４を構成する材料としては、石英やＡｌＮ、Ａｌ_２Ｏ_３等のセラミックス材料を挙げることができるが、これらの中でも熱伝導性の良好なＡｌＮが好ましい。また、載置台５には、抵抗加熱型のヒーター５ａが埋め込まれており、例えば２００Ｖの交流電源であるヒーター電源６から給電されることにより載置台５を加熱して、その熱で被処理体であるウエハＷを加熱する。ヒーター５ａとヒーター電源６とを接続する給電線６ａには、ＲＦ（高周波）をフィルタリングするフィルタボックス４５が設けられている。載置台５の温度は、載置台５に挿入された図示しない熱電対によって測定され、熱電対からの信号に基づいてヒーター電源６が制御され、例えば室温から８００℃までの範囲で安定した温度制御が可能となっている。

また、載置台５の内部の表面側には、第１の電極としてのバイアス用の電極７が埋設されている。この電極７は、載置されるウエハＷに略対応する領域に埋設されている。電極７の材質としては、例えばモリブデン、タングステンなどの導電性材料を用いることができる。電極７は、例えば網目状、格子状、渦巻き状等の形状に形成されている。また、載置台５の全面を覆うようにカバー８ａが設けられており、このカバー８ａにはウエハＷをガイドするための溝が設けられている。また、載置台５の外周側には、処理容器１内を均一排気するため、石英製のバッフルプレート８ｂが環状に設けられている。このバッフルプレート８ｂは、複数の孔８ｃを有し、支柱（図示せず）により支持されている。さらに、載置台５には、ウエハＷを支持して昇降させるための複数のウエハ支持ピン（図示せず）が載置台５の表面に対して突没可能に設けられている。

第２の容器３の上下の接合部には、例えばＯリングなどのシール部材９ａ，９ｂ，９ｃが設けられており、これにより接合部の気密状態が保たれる。これらシール部材９ａ，９ｂ，９ｃは、例えばカルレッツ（商品名；デュポン社製）などのフッ素系ゴム材料からなっている。

第１の容器２の底壁２ａの略中央部には円形の開口部１０が形成されており、底壁２ａにはこの開口部１０と連通し、下方に向けて突出して処理容器１内部を均一に排気するための排気室１１が連設されている。

図２に拡大して示したように、第１の容器２内の任意の箇所（例えば均等な４箇所）には、垂直方向に複数のガス供給路１２が設けられている。ガス供給路１２は、第１の容器２の上部と、第２の容器３の下部との接面部に形成された環状通路１３に接続している。また、第２の容器３の内部には、この環状通路１３に接続する複数のガス通路１４が形成されている。また、第２の容器３の上端部には、内周面に沿って複数箇所（例えば３２箇所の）にガス導入口１５ａが均等に設けられており、これらガス導入口１５ａから水平に延びるガス導入路１５ｂが設けられている。このガス導入路１５ｂは、第２の容器３内で鉛直方向に形成されたガス通路１４と連通している。

環状通路１３は、第１の容器２の上端面と、第２の容器３の下端面との接合部分において、段部１８と段部１９とによって形成された流路である。この環状通路１３は、処理容器１内の空間を囲むように略水平方向に環状に連通している。環状通路１３は、ガス供給路１２を介して処理容器１の下部においてガス供給装置１６と接続されている。なお、ガス供給装置１６は処理容器１の側面に接続していてもよい。環状通路１３は、各ガス通路１４へガスを均等配分して供給するガス分配手段としての機能を有しており、処理ガスが特定のガス導入口１５ａに偏って供給されることを防ぐように機能する。

このように本実施形態では、ガス供給装置１６からのガスを、各ガス供給路１２、環状通路１３、各ガス通路１４を介して３２箇所のガス導入口１５ａから配管の圧力損失なく均一に処理容器１内に導入できるので、処理容器１内のプラズマの均一性を高めることができる。

また、第２の容器３の下端面には、第１の容器２の上端面の段部１８と組み合わせて環状通路１３を形成できるように段部１９が設けられている。つまり、第１の容器２の側壁の上端面の段部１８と第２の容器３の下端面の段部１９とによって環状通路１３が形成されている。本実施の形態では、段部１９の高さは段部１８の高さよりも大きく形成されている。従って、第２の容器３の下端面と第１の容器２の上端面とを接合した状態では、シール部材９ｂが配設されている側では、段部１９の突出面３ｂと段部１８の非突出面２ａとが当接するが、シール部材９ａが配設されている側では、段部１９の非突出面３ｃと段部１８の突出面２ｂとが非当接状態となり、わずかな距離で隙間Ｓが形成されている。第２のシール部材としてのシール部材９ａは、外部へガスが漏れない程度の気密性を保てる程度にシールする部分である。第１のシール部材としてのシール部材９ｂは、当接した状態の段部１９の突出面３ｂと段部１８の非突出面２ａとをシールすることにより処理容器１内の気密性を保つとともに、段部１９の突出面３ｂと段部１８の非突出面２ａを当接させているので、後述するように高周波電流のリターン回路が効率良く形成されて、対向電極（第２の電極としての蓋部２７）の表面電位が下がり、対向電極がスパッタされ難くなる。この接合構造の作用については後述する。

上記排気室１１の側面には排気管２３が接続されており、この排気管２３には真空ポンプを含む排気装置２４が接続されている。そしてこの排気装置２４を作動させることにより処理容器１内のガスが、排気室１１の空間１１ａ内へ均一に排出され、排気管２３を介して排気される。これにより処理容器１内は所定の真空度、例えば０．１３３Ｐａまで高速に減圧することが可能となっている。

第１の容器２の側壁には、ウエハＷの搬入出を行うための搬入出口と、この搬入出口を開閉するゲートバルブとが設けられている（いずれも図示せず）。

処理容器１の上部は開口部となっており、この開口部を塞ぐようにマイクロ波導入部２６が気密に配置可能となっている。このマイクロ波導入部２６は、図示しない開閉機構により開閉可能となっている。

マイクロ波導入部２６は、主要な構成として、載置台５の側から順に、蓋部２７、透過板２８、平面アンテナ３１、遅波材３３を有している。これらは、例えばＳＵＳ、アルミニウム、その合金等の導電性のカバー３４によって覆われ、支持部材３６を介して環状の押えリング３５により蓋部２７に固定されている。

蓋部２７は、下部電極である載置台５の電極７に対して対向配置された対向電極である。マイクロ波導入部２６が閉じられた状態においては、処理容器１の上部と、開閉機能を持つ蓋部２７がシール部材９ｃによりシールされた状態となるとともに、後述するように透過板２８が蓋部２７に支持された状態となっている。なお、蓋部２７の外周面には、複数の冷却水流路２７ｂが形成され、プラズマの熱に起因する熱膨張による接合部位の位置ずれの発生によるシール性低下やパーティクルの発生が防止されている。

誘電体板としての透過板２８は、誘電体、例えば石英やＡｌ_２Ｏ_３、ＡｌＮ、サファイヤ、ＳｉＮ等のセラミックスからなり、マイクロ波を透過し処理容器１内の処理空間に導入するマイクロ波導入窓として機能する。透過板２８の下面（載置台５側）は平坦状に限らず、マイクロ波を均一化してプラズマを安定化させるため、例えば凹部や溝を形成してもよい。環状に配備された蓋部２７の内周面には、処理容器１内空間へ向けて突出した突部２７ａが形成されており、その突部２７ａの上に、透過板２８の外周部が、シール部材２９を介して気密状態で支持されている。したがって、マイクロ波導入部２６が閉じられた状態で処理容器１内を気密に保持することが可能となる。

平面アンテナ３１は、円板状をなしており、透過板２８の上方において、カバー３４の外周部により係止されている。この平面アンテナ３１は、例えば表面が金または銀メッキされた銅板、アルミニウム板、ニッケル板または真鍮板からなり、マイクロ波などの電磁波を放射するための多数のスロット孔３２が対をなして所定のパターンで貫通して形成された構成となっている。

スロット孔３２は、例えば図３に示すように長溝状をなし、典型的には隣接するスロット孔３２同士が「Ｔ」字状に配置され、これら複数のスロット孔３２が同心円状に配置されている。スロット孔３２の長さや配列間隔は、マイクロ波の波長（λｇ）に応じて決定され、例えばスロット孔３２の間隔は、λｇ／４からλｇとなるように配置される。なお、図３においては、同心円状に形成された隣接するスロット孔３２同士の間隔をΔｒで示している。また、スロット孔３２は、円形状、円弧状等の他の形状であってもよい。さらに、スロット孔３２の配置形態は特に限定されず、同心円状のほか、例えば、螺旋状、放射状に配置することもできる。

遅波材３３は、真空よりも大きい誘電率を有しており、平面アンテナ３１の上面に設けられている。この遅波材３３は、例えば、石英、セラミックス、ポリテトラフルオロエチレン等のフッ素系樹脂やポリイミド系樹脂により構成されており、真空中ではマイクロ波の波長が長くなることから、マイクロ波の波長を短くしてプラズマを調整する機能を有している。なお、平面アンテナ３１と透過板２８との間、また、遅波材３３と平面アンテナ３１との間は、それぞれ密着させても離間させてもよいが、密着させることが好ましい。

カバー３４には、冷却水流路３４ａが形成されており、そこに冷却水を通流させることにより、カバー３４、遅波材３３、平面アンテナ３１、透過板２８、蓋部２７を冷却するようになっている。これにより、変形や破損を防止し、安定したプラズマを生成することが可能である。なお、平面アンテナ３１及びカバー３４は接地されている。

カバー３４の上壁の中央には、開口部３４ｂが形成されており、この開口部３４ｂには導波管３７が接続されている。この導波管３７の端部には、マッチング回路３８を介してマイクロ波発生装置３９が接続されている。これにより、マイクロ波発生装置３９で発生した、例えば周波数２．４５ＧＨｚのマイクロ波が導波管３７を介して上記平面アンテナ３１へ伝搬されるようになっている。マイクロ波の周波数としては、８．３５ＧＨｚ、１．９８ＧＨｚ等を用いることもできる。

導波管３７は、上記カバー３４の開口部３４ｂから上方へ延出する断面円筒状の同軸導波管３７ａと、この同軸導波管３７ａの上端部にモード変換器４０を介して接続された水平方向に延びる矩形導波管３７ｂとを有している。矩形導波管３７ｂと同軸導波管３７ａとの間のモード変換器４０は、矩形導波管３７ｂ内をＴＥモードで伝播するマイクロ波をＴＥＭモードに変換する機能を有している。同軸導波管３７ａの中心には内導体４１がモード変換器４０から平面アンテナ３１へかけて延在しており、内導体４１は、その下端部において平面アンテナ３１の中心に接続固定されている。また、平面アンテナ３１とカバー３４により偏平導波路が形成されている。これにより、マイクロ波は、同軸導波管３７ａの内導体４１を介して平面アンテナ３１へ放射状に効率よく均一に伝播される。

載置台５に埋設された電極７には、支持部４の中を通る給電線４２、マッチングボックス（Ｍ．Ｂ．）４３を介してバイアス印加用の高周波電源４４が接続されており、ウエハＷに高周波バイアスを印加できる構成となっている。前記のとおり、ヒーター電源６からの電力をヒーター５ａへ供給する給電線６ａには、フィルタボックス４５が設けられている。そして、マッチングボックス４３とフィルタボックス４５が、シールドボックス４６を介して連結されてユニット化され、排気室１１の底部に装着されている。シールドボックス４６は、例えばアルミニウム、ＳＵＳなどの導電性材料で形成されている。シールドボックス４６内には、給電線４２に接続された銅などの材質の導電板４７が配備されてマッチングボックス４３内のマッチャー（図示せず）に接続されている。導電板４７を用いるので接触不良が起こりにくく、給電線４２との接触面積を大きくとることができ、接続部分での電流損失を低減できる。

従来は、シールドボックス４６を備えずに、マッチングボックス４３と給電線４２との間を外部に露出した状態で同軸ケーブルなどを用いて接続していたため、当該同軸ケーブルの部分で高周波電力の損失が生じていた。また、この場合、高周波電流は、載置台５からプラズマ形成空間を介して対向電極（この場合は、例えば蓋体２７、第１の容器２、第２の容器３などが対向電極となりうる）へ伝わり、処理容器１の第２の容器３、第１の容器２、さらに排気室１１の壁を介して高周波電源４４のアースへと戻って行く電流経路を形成するが、同軸ケーブルの長さに比例して抵抗が大きくなってしまう。

また、フィルタボックス４５と給電線６ａとを、外部に露出した同軸ケーブルなどを用いて接続した場合にも、同様に同軸ケーブルの部分で電力の損失が生じる。この部分で電力の損失が生じると、高周波電源４４から電極７へ供給された高周波電力が、対向電極である蓋部２７へ向かわず、電極７からヒーター５ａ、給電線６ａへと向かう異常な電流経路を形成し、正規の高周波電流経路（ＲＦリターン回路;後述）の形成が妨げられ、異常放電が発生してしまう。

以上のことから、本実施の形態のプラズマ酸化処理装置１００では、マッチングボックス４３とフィルタボックス４５を、シールドボックス４６を介して連結してユニット化することにより、処理容器１の排気室１１の下部に直接接続する構成とした。これにより、高周波電源４４からの電力の損失を低減し、電力消費効率を高めることができる。また、スペース的にも小さくコンパクト化出来る。

上記蓋部２７の内側は、プラズマ生成領域に臨んで形成されており、その表面が強いプラズマに曝されることによりスパッタリングされ、損耗する。このため、図２に拡大して示したように、載置台５の電極７に対して対向電極として機能するアルミニウム製の蓋部２７の突部２７ａがプラズマに曝される表面には、導電性の材料例えばシリコンからなる、保護膜としてのシリコン膜４８がコーティングされている。シリコン膜４８を構成するシリコンは、多結晶シリコンなどの結晶構造を有していてもよいし、アモルファス構造であってもよい。導電性のシリコン膜４８は、載置台５からプラズマ処理空間を隔てて対向電極である蓋部２７へと流れる高周波電流経路を効率的に形成して他の部位における短絡や異常放電を抑制すると同時に、蓋部２７の表面をプラズマによる酸化作用やスパッタ作用から保護し、蓋部２７の構成材質であるアルミニウム等の金属によるコンタミネーションの発生を抑制する。また、シリコン膜４８は、プラズマの酸化作用によって酸化されて二酸化珪素膜（ＳｉＯ_２膜）となっても、非常に薄く、かつ誘電率と抵抗率の積が小さな材質であるため、載置台５からプラズマ処理空間を隔てて対向電極である蓋部２７へと流れる電流経路を妨げることが少なく、適正な高周波電流経路を維持できる。

すなわち、プラズマ酸化処理装置１００では、ウエハＷに対してプラズマ酸化処理を行う際に、プラズマの酸化作用によってシリコン膜４８が酸化されて二酸化珪素膜（ＳｉＯ_２膜）へと変化する。しかし、ＳｉＯ_２の誘電率εは３．４、抵抗率ρは７．７×１０^１４Ω・ｍであり、誘電率と抵抗率の積（ε×ρ）は２．３×１０^２と小さな値である。一方、金属酸化物、例えばＹ_２Ｏ_３の誘電率εは１２．５、抵抗率ρは１０×１０^１６Ω・ｍであり、誘電率と抵抗率の積（ε×ρ）は１．３×１０^３であり、Ａｌ_２Ｏ_３の誘電率εは１０．８、抵抗率ρは５．８×１０^１４Ω・ｍであり、誘電率と抵抗率の積（ε×ρ）は５．５×１０^２といずれも大きな値である。一般に、誘電率と抵抗率の積（ε×ρ）が大きくなるほど、酸化物膜の表面に電荷が蓄積しやすくなり、表面電位が高くなるので、酸化物膜がチャージアップされやすくなり、スパッタ作用を受けやすくなって、膜の耐久性が低下する。また、誘電率と抵抗率の積（ε×ρ）が大きいほど、異常放電も発生しやすくなる。シリコン膜４８のシリコンは、プラズマにより酸化されてＳｉＯ_２に変化しても、材質がイットリア酸化物やアルミナである保護膜に比べて、誘電率と抵抗率の積（ε×ρ）が小さいため、表面電位が高くなり難く、耐久性を長期間維持できるとともに異常放電の発生を抑制できる。

上記目的のために、蓋部２７に形成されるシリコン膜４８は、気孔率が小さく緻密で低抵抗率の膜であることが好ましい。シリコン膜４８の気孔率が大きくなると体積抵抗率も大きくなることから、例えば気孔率が１〜１０％の範囲内で、体積抵抗率が５×１０^４〜５×１０^５Ω・ｃｍ^２の範囲内であることが好ましい。また、シリコン膜４８の厚さは、例えば１０〜８００μｍの範囲内が好ましく、５０〜５００μｍの範囲内がより好ましく、５０〜１５０μｍの範囲内が望ましい。シリコン膜４８の厚さが１０μｍ未満であると十分な保護作用が得られず、８００μｍを超えると応力によりクラックやはがれ等が生じやすくなる。

保護膜としてのシリコン膜４８は、ＰＶＤ（物理蒸着）およびＣＶＤ（化学蒸着）等の薄膜形成技術や溶射等で形成することができるが、その中でも比較的安価で容易に上記気孔率、体積抵抗率が良好な範囲内になるように制御可能な皮膜を形成することができる溶射が好ましい。溶射には、フレーム溶射、アーク溶射、レーザー溶射、プラズマ溶射等があるが、制御性良く高純度の膜を形成する観点からプラズマ溶射が好ましい。また、プラズマ溶射法としては、大気圧プラズマ溶射法、真空プラズマ溶射法が挙げられる。

また、本実施の形態に係るプラズマ酸化処理装置１００では、処理容器１の内周に石英からなる円筒状のライナーが設けられている。ライナーは、処理容器１の上部の主に第２の容器３の内面を覆う第１の絶縁板としての上部ライナー４９ａと、この上部ライナー４９ａに連なって処理容器１の下部の主に第１の容器２の内面を覆う第２の絶縁板としての下部ライナー４９ｂとを含む構成となっている。上部ライナー４９ａ及び下部ライナー４９ｂは、壁とプラズマとの接触を防止し、処理容器１の構成材料による金属汚染を防止するとともに、載置台５から処理容器１の側壁へ向かって高周波電力の短絡や異常放電が生じないにように作用する。載置台５との間隔が小さく近接した位置に配備される下部ライナー４９ｂは上部ライナー４９ａに比べて厚みが大きく形成されている。ライナーの厚みは、高周波電流の短絡や異常放電が生じない程度の厚みにインピーダンスを考慮して設定されている。

また、下部ライナー４９ｂは、電極７が埋設された載置台５の高さより低い高さ位置の第１の容器２と排気室１１の内面の少なくとも一部を覆うように設けられている。載置台５の下方部分において、載置台５と第１の容器２との距離が最も短くなることに対応して、この部位での異常放電を防ぐためである。なお、上部ライナー４９ａ及び下部ライナー４９ｂの材質としては、石英が好ましいが、Ａｌ_２Ｏ_３、ＡｌＮ、Ｙ_２Ｏ_３等のセラミックスなどの誘電体を適用することもできる。なお、上部ライナー４９ａ及び下部ライナー４９ｂは、上記材料をコーティングすることによって形成してもよい。

プラズマ酸化処理装置１００の各構成部は、制御部５０に接続されて制御される構成となっている。制御部５０は、典型的にはコンピュータを有しており、例えば図４に示したように、ＣＰＵを備えたプロセスコントローラ５１と、このプロセスコントローラ５１に接続されたユーザーインターフェース５２および記憶部５３を備えている。プロセスコントローラ５１は、プラズマ酸化処理装置１００において、例えば温度、圧力、ガス流量、マイクロ波出力、バイアス印加用の高周波電力などのプロセス条件に関係する各構成部（例えば、ヒーター電源６、ガス供給装置１６、排気装置２４、マイクロ波発生装置３９、高周波電源４４など）を統括して制御する制御手段である。

ユーザーインターフェース５２は、工程管理者がプラズマ酸化処理装置１００を管理するためにコマンドの入力操作等を行うキーボードや、プラズマ酸化処理装置１００の稼働状況を可視化して表示するディスプレイ等を有している。また、記憶部５３には、プラズマ酸化処理装置１００で実行される各種処理をプロセスコントローラ５１の制御にて実現するための制御プログラム（ソフトウエア）や処理条件データ等が記録されたレシピなどが保存されている。

そして、必要に応じて、ユーザーインターフェース５２からの指示等にて任意のレシピを記憶部５３から呼び出してプロセスコントローラ５１に実行させることで、プロセスコントローラ５１により制御されてプラズマ酸化処理装置１００の処理容器１内で所望の処理が行われる。また、前記制御プログラムや処理条件データ等のレシピは、コンピュータ読み取り可能な記憶媒体、例えばＣＤ−ＲＯＭ、ハードディスク、フレキシブルディスク、フラッシュメモリ、ＤＶＤ、ブルーレイディスクなどに格納された状態のものを利用できる。さらに、前記レシピを他の装置から例えば専用回線を介して伝送させて利用することも可能である。

このように構成された本発明のプラズマ酸化処理装置１００では、例えば室温（２５℃程度）以上６００℃以下の低温で下地膜や基板（ウエハＷ）等へのダメージフリーなプラズマ酸化処理を行うことができる。また、プラズマ酸化処理装置１００は、プラズマの均一性に優れていることから、大口径のウエハＷ（被処理体）に対してもプロセスの均一性を実現できる。

次に、プラズマ酸化処理装置１００の動作について説明する。まず、ウエハＷを処理容器１内に搬入し、載置台５上に載置する。そして、ガス供給装置１６から、処理ガスとして、例えばＡｒ、Ｋｒ、Ｈｅなどの希ガス、例えばＯ_２、Ｎ_２Ｏ、ＮＯ、ＮＯ_２、ＣＯ_２などの酸化ガスを所定の流量でガス導入口１５ａを介して処理容器１内に導入する。なお、必要に応じてＨ_２を添加してもよい。

次に、マイクロ波発生装置３９からのマイクロ波を、マッチング回路３８を経て導波管３７に導き、矩形導波管３７ｂ、モード変換器４０、および同軸導波管３７ａを順次通過させて内導体４１を介して平面アンテナ３１に供給し、平面アンテナ３１のスロット孔３２から透過板２８を介して処理容器１内に放射させる。

マイクロ波は、矩形導波管３７ｂ内ではＴＥモードで伝搬し、このＴＥモードのマイクロ波はモード変換器４０でＴＥＭモードに変換されて、同軸導波管３７ａ内を平面アンテナ３１に向けて伝搬されていく。平面アンテナ３１から透過板２８を経て処理容器１に放射されたマイクロ波により処理容器１内で電磁界が形成され、処理ガスがプラズマ化する。

このプラズマは、マイクロ波が平面アンテナ３１の多数のスロット孔３２から放射されることにより、略１×１０^１０〜５×１０^１２／ｃｍ^３の高密度で、かつウエハＷ近傍では、略１．５ｅＶ以下の低電子温度プラズマとなる。したがって、このプラズマをウエハＷに対して作用させることにより、プラズマダメージを抑制した処理が可能になる。

また、本実施の形態では、プラズマ処理を行なっている間、高周波電源４４から所定の周波数で高周波電力を載置台５の電極７に供給する。高周波電源４４から供給される高周波電力の周波数は、例えば１００ｋＨｚ以上６０ＭＨｚ以下の範囲内が好ましく、４００ｋＨｚ以上１３．５ＭＨｚ以下の範囲内がより好ましい。高周波電力は、ウエハＷの面積当たりのパワー密度として例えば０．２Ｗ／ｃｍ^２以上２．３Ｗ／ｃｍ^２以下の範囲内で供給することが好ましく、０．３５Ｗ／ｃｍ^２以上１．２Ｗ／ｃｍ^２以下の範囲内で供給することがより好ましい。また、高周波のパワーは２００Ｗ以上２０００Ｗ以下の範囲内が好ましく、３００Ｗ以上１２００Ｗ以下の範囲内がより好ましい。載置台５の電極７に供給された高周波電力は、プラズマの低い電子温度を維持しつつ、プラズマ中のイオン種をウエハＷへ引き込む作用を有している。従って、電極７に高周波電力を供給して、ウエハＷにバイアスを印加することにより、プラズマ酸化処理のレートを速め、かつウエハ面内における処理の均一性を高めることができる。

この場合、図５に矢印で示したように、本発明のリターン回路構成により高周波電源４４から、ユニット化された高周波電力の導入部（マッチングボックス４３およびシールドボックス４６内の導電板４７）と給電線４２を介して、電力損失が少ない状態で載置台５の電極７へ効率良く高周波電力が供給される。電極７へ供給された高周波電力は、載置台５からプラズマ形成空間を介して対向電極としての蓋部２７へ伝わり、処理容器１の第２の容器３、第１の容器２、さらに排気室１１の壁を介して高周波電源４４のアースへと伝わる高周波電流経路（ＲＦリターン回路）を形成する。このＲＦリターン回路の等価回路は、図６のように表すことができる。本実施の形態では、蓋部２７のプラズマの生成領域に臨む部位には、導電性のシリコン膜４８（またはシリコンが酸化されてなるＳｉＯ_２膜）が設けられているので、載置台５からプラズマ処理空間を隔てて対向電極である蓋部２７へと流れる適正な高周波電流経路の形成が妨げられることが少ない。しかも、シリコン膜４８に隣接して第２の容器３および第１の容器２の内面には、上部ライナー４９ａおよびこれよりも肉厚の下部ライナー４９ｂが設けられているので、これらの部位への短絡や異常放電を確実に抑制することができる。

また、シリコン膜４８は、プラズマの作用によって酸化されＳｉＯ_２膜に変化した場合でも、誘電率と抵抗率の積（ε×ρ）がイットリア酸化物やアルミナに比べて小さい。したがって、表面電位の上昇が抑えられ、チャージアップによるスパッタや異常放電が生じにくく、耐久性に優れ、アルミニウム等の金属コンタミネーションの発生を長期間抑制できる。つまり、シリコン膜４８によって、異常放電を抑制できるとともに、金属コンタミネーションを防止することができる。

また、本実施の形態では、前記のように、第２の容器３と第１の容器２とを接合した状態で、シール部材９ｂが配設されている側では、段部１９の突出面３ｂと段部１８の非突出面２ａとが当接するが、シール部材９ａが配設されている側では、段部１９の非突出面３ｃと段部１８の突出面２ｂとが非当接状態となり、わずかな距離で隙間Ｓが形成されている。段部１８と段部１９の高さは、加工寸法精度の制約から、どちらかの段差を高くして、段部１８と段部１９により形成される２組の突出面と非突出面のどちらか一方のみを当接させることが必要である。載置台５にバイアス用の高周波電力を供給しない従来の処理容器の構造では、主として環状通路１３よりも外側（環状通路１３の外周）に位置するシール部材９ａによって処理容器１内の気密性を確保するため、シール部材９ａが配設されている側で段部１８の突出面２ｂと段部１９の非突出面３ｃとを密着させ、シール部材９ｂが配設されている側では、段部１８の非突出面２ａと段部１９の突出面３ｂとを非当接状態としてこの部分に隙間を形成させていた。この場合は、内側のシール部材９ｂは主に処理容器１の内部と環状通路１３との間のガスシール機能を有していた。

しかし、載置台５の電極７へバイアス用の高周波電力を供給するプラズマ酸化処理装置１００では、前記のとおり、電極７へ供給された高周波電力は、載置台５からプラズマ形成空間を介して対向電極としての蓋部２７へ伝わり、処理容器１の第２の容器３および第１の容器２、さらに排気室１１の壁を介して高周波電源４４のアースへと伝わる高周波電流経路（ＲＦリターン回路）を形成する。このとき、高周波電流は、第２の容器３および第１の容器２の内壁に沿って表面電流として伝わるため、第２の容器３および第１の容器２の内面側に隙間が存在すると、そこで電流が遮られ、高周波電流経路が複雑になるとともに距離も長くなり、例えば段部１８や段部１９の角部などで異常放電を引き起こして適正な高周波電流経路の形成が妨げられる場合がある。このため、本実施の形態では、シール部材９ｂが配設されている側では、段部１９の突出面３ｂと段部１８の非突出面２ａとを密着させて、処理容器１の内面すなわち第２の容器３および第１の容器２の内壁に沿って高周波電流がスムーズに流れるように構成されている。この場合、段部１９の突出面３ｂと段部１８の非突出面２ａとの接触面積が小さくなっており、これにより接触圧が大きくなって導通の安定化が図られている。

以上のように、本実施の形態にかかるプラズマ酸化処理装置１００では、ウエハＷを載置する載置台５の電極７に供給されたバイアス用の高周波電力の経路を適正化して電力消費効率を向上させるとともに、異常放電を防止してプロセスの効率化を図ることができる。

次に、アルミニウム製の蓋部２７のプラズマに曝される表面（対向電極の表面）にシリコン膜４８を形成した場合と、シリコン膜４８形成していないアルミニウム製の従来の蓋部を用いた場合の、（１）プラズマ酸化処理によるアルミニウムコンタミネーションの比較、（２）ウエハＷ表面のシリコンの酸化レートおよびそのウエハ面内での均一性の高周波パワー依存性、について検討を行った。シリコン膜４８は大気プラズマ溶射法により、溶射膜厚が８０μｍとなるように形成した。このシリコン膜４８は、純度９９．９％、体積抵抗値１×１０^５Ω・ｃｍ^２、気孔率が約６％、表面粗さ（Ｒａ）が４．８６であった。

プラズマ処理は、処理ガスとしてＡｒガス、Ｏ_２ガスを、Ａｒ／Ｏ_２／Ｈ_２＝１２００／３８８／１２ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）の流量［（Ｏ_２＋Ｈ_２）／（Ａｒ＋Ｏ_２＋Ｈ_２）比は２５体積％、Ｈ_２／（Ｏ_２＋Ｈ_２）比は３体積％］で供給し、プラズマ生成用の２．４５ＧＨｚのマイクロ波電力を４０００Ｗ（パワー密度２．０５Ｗ／ｃｍ^２）、処理容器１内の圧力を６６７Ｐａとして行った。なお、載置台５の電極７に供給するバイアス用の高周波電力の周波数は、１３．５６ＭＨｚ、高周波パワーは６００Ｗ（パワー密度０．７０２Ｗ／ｃｍ^２）で実験を行った。

上記条件で、約１５００枚のウエハＷを処理し、アルミニウムコンタミネーションとパーティクル数を計測した結果を図７に示した。アルミニウムが露出した状態（Ａｌ無垢）の蓋部を用いた場合には、アルミニウムコンタミネーションが８×１０^９〜５×１０^９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^２程度であったのに対し、シリコン膜４８を形成した状態（Ｓｉ溶射）の蓋部２７を用いた場合には、２．８×１０^９〜５×１０^８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^２程度と、３×１０^９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^２以下に抑制できた。また、パーティクル数についても、アルミニウムが露出した状態（Ａｌ無垢）の蓋部を用いた場合には、ウエハＷの処理枚数が約１０００枚までは２０個前後で推移し、約１０００枚以降は１００個以上であったのに対し、シリコン膜４８を形成した状態（Ｓｉ溶射）の蓋部２７を用いた場合には、１５００枚のウエハＷを処理しても、１０個前後であり、明らかに低い値であった。

また、上記条件でプラズマ酸化処理を行った場合の平均膜厚およびそのウエハ面内での均一性の高周波パワー依存性についての比較結果を図８に示した。なお、載置台５の電極７に供給するバイアス用の高周波電力の周波数は、１３．５６ＭＨｚ、高周波パワーは、０Ｗ（バイアス印加せず）、３００Ｗまたは６００Ｗで実験を行った。また、ウエハ面内均一性は、ウエハ面内での最大・最小膜厚の範囲を（平均膜厚×２）の値で除した百分率として求めた。図８に示したように、保護膜を形成しても、酸化レート及びウエハ面内での均一性は、ほぼ横ばいで推移していることから、実質的に同等の処理が出来ることが示された。

なお、本発明は上記実施形態に限定されることなく、種々の変形が可能である。例えば、上記実施形態では、プラズマに曝される部材としての蓋部２７の本体としてアルミニウムを用いたが、ステンレス鋼等の他の金属を用いた場合であっても同様の効果を得ることができる。また、プラズマ処理の内容も、載置台５の電極７に高周波電力を供給するプロセスであれば、プラズマ酸化処理に限るものではなく、例えばプラズマ窒化処理、エッチング処理などの種々のプラズマ処理を対象とすることができる。さらに、被処理体についても、半導体ウエハに限らず、ＦＰＤ用ガラス基板などの他の基板を対象にすることができる。

本発明の一実施の形態に係るプラズマ酸化処理装置の概略断面図である。 図１の要部を拡大して示す断面図である。 平面アンテナの構造を示す図面である。 制御部の構成を示す説明図である。 プラズマ酸化処理装置における電流の流れを説明する図面である。 ＲＦリターン回路の等価回路を説明する図面である。 プラズマ酸化処理におけるアルミニウムコンタミネーションとパーティクル数の計測結果を示すグラフ図面である。 プラズマ酸化処理における酸化レートおよびそのウエハ面内での均一性の高周波パワー依存性についての結果を示すグラフ図面である。

符号の説明

１…処理容器、２…第１の容器、３…第２の容器、４…支持部、５…載置台、７…電極、１３…環状通路、１４…ガス通路、１５ａ…ガス導入口、１５ｂ…ガス導入路、１６…ガス供給装置、１８，１９…段部、２４…排気装置、２６…マイクロ波導入部、２７…蓋部、２７ａ…突部、２８…透過板、２９…シール部材、３１…平面アンテナ、３２…スロット孔、３７…導波管、３７ａ…同軸導波管、３７ｂ…矩形導波管、３９…マイクロ波発生装置、４０…モード変換器、４３…マッチングボックス、４４…高周波電源、４５…フィルタボックス、４６…シールドボックス、４７…導電板、４８…シリコン膜、４９ａ…上部ライナー、４９ｂ…下部ライナー、１００…プラズマ酸化処理装置、Ｗ…半導体ウエハ（被処理体）

Claims (8)

1. プラズマを用いて被処理体を処理する上部が開口した処理容器と、
   前記処理容器内に処理ガスを供給するガス供給機構と、
   前記処理容器内を減圧排気する排気機構と、
   前記処理容器内で被処理体を載置する載置台と、
   前記載置台に埋設され、被処理体にバイアスを印加するための第１の電極と、
   前記処理容器内のプラズマの生成領域に臨むように配置された突部を有し、前記第１の電極に対してプラズマ処理空間を隔てて形成された導電性部材からなる第２の電極と、
   前記第２の電極の前記突部に支持されて前記処理容器の前記開口を塞ぐとともにマイクロ波を透過する誘電体板と、
   前記誘導体板の上方に設けられ、導波管を介してマイクロ波発生装置に接続されて前記処理容器内にマイクロ波を導入する平面アンテナと、
   を備えたプラズマ処理装置であって、
   前記プラズマの生成領域に臨む前記突部の表面にシリコンをコーティングしてなる保護膜を設けるとともに、前記処理容器の上部の内壁に沿って第１の絶縁板を設け、該第１の絶縁板に隣接して前記処理容器の下部の内壁に沿って第２の絶縁板を設けたことを特徴とするプラズマ処理装置。
2. 前記第１の絶縁板の厚みに比べ、前記第２の絶縁板の厚みが大きく形成されていることを特徴とする請求項１に記載のプラズマ処理装置。
3. 前記第２の絶縁板は、前記第１の電極が埋設された載置台の高さより低い高さ位置の前記処理容器の内壁の少なくとも一部を覆っていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のプラズマ処理装置。
4. 前記第２の絶縁板は、前記処理容器の下部に連設された排気室に達する位置まで形成されていることを特徴とする請求項３に記載のプラズマ処理装置。
5. 前記処理容器は、第１の容器と、該第１の容器の上端面に接合される第２の容器と、を有し、前記第１の容器と前記第２の容器との間には、前記ガス供給機構から前記処理容器内に供給される前記処理ガスのガス通路が形成されており、該ガス通路を挟んでその両側には、第１のシール部材と第２のシール部材とが二重に設けられているとともに、前記処理容器の内部に近い側の前記第１のシール部材の配設部位では前記第１の容器と前記第２の容器とが当接しており、前記処理容器の外部に近い側の前記第２のシール部材の配設部位では前記第１の容器と前記第２の容器との間に隙間が形成されていることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載のプラズマ処理装置。
6. 前記ガス通路は、前記第１の容器の上端面と前記第２の容器の下端面にそれぞれ設けられた段差によって形成されていることを特徴とする請求項５に記載のプラズマ処理装置。
7. 被処理体にプラズマ酸化処理を施すプラズマ酸化処理装置として構成され、前記シリコンの保護膜が前記プラズマの酸化作用により酸化されて二酸化珪素膜に改質されていることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか１項に記載のプラズマ処理装置。
8. 前記誘電体板、前記第１の絶縁板および前記第２の絶縁板が石英から構成されていることを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか１項に記載のプラズマ処理装置。
   

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